并发编程实战-线程池
线程池概述
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什么是线程池
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为什么使用线程池
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线程池的优势
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第一：降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
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第二：提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要的等到线程创建就能立即执行。
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第三：提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制的创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一的分配，调优和监控。但是要做到合理的利用线程池，必须对其原理了如指掌。
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创建一个线程池并提交线程任务
线程池源码解析
参数认识
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corePoolSize : 线程池的基本大小，当提交一个任务到线程池时，线程池会创建一个线程来执行任务，即使其他空闲的基本线程能够执行新任务也会创建线程，等到需要执行的任务数大于线程池基本大小时就不再创建。如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。
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runnableTaskQueue：任务对列，用于保存等待执行的任务的阻塞队列。可以选择以下几个阻塞队列。
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ArrayBlockingQueue：是一个基于数组结构的有界阻塞队列，此队列按 FIFO（先进先出）原则对元素进行排序。
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LinkedBlockingQueue：一个基于链表结构的阻塞队列，此队列按FIFO （先进先出） 排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
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SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCachedThreadPool使用了这个队列。
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PriorityBlockingQueue：一个具有优先级得无限阻塞队列。
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maximumPoolSize：线程池最大大小，线程池允许创建的最大线程数。如果队列满了，并且已创建的线程数小于最大线程数，则线程池会再创建新的线程执行任务。值得注意的是如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果。
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ThreadFactory：用于设置创建线程的工厂，可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置更有意义的名字，Debug和定位问题时非常又帮助。
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RejectedExecutionHandler（饱和策略）：当队列和线程池都满了，说明线程池处于饱和状态，那么必须采取一种策略处理提交的新任务。这个策略默认情况下是AbortPolicy，表示无法处理新任务时抛出异常。
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CallerRunsPolicy：只用调用者所在线程来运行任务。
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DiscardOldestPolicy：丢弃队列里最近的一个任务，并执行当前任务。
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DiscardPolicy：不处理，丢弃掉。
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当然也可以根据应用场景需要来实现RejectedExecutionHandler接口自定义策略。如记录日志或持久化不能处理的任务。
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keepAliveTime ：线程活动保持时间，线程池的工作线程空闲后，保持存活的时间。所以如果任务很多，并且每个任务执行的时间比较短，可以调大这个时间，提高线程的利用率。
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TimeUnit：线程活动保持时间的单位，可选的单位有天（DAYS），小时（HOURS），分钟（MINUTES），毫秒(MILLISECONDS)，微秒(MICROSECONDS, 千分之一毫秒)和毫微秒(NANOSECONDS, 千分之一微秒)。
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类中其他属性
// 线程池的控制状态:用来表示线程池的运行状态（整型的高3位）和运行的worker数量（低29位）
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 29位的偏移量
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// 最大容量（2^29 - 1）
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// runState is stored in the high-order bits
// 线程运行状态，总共有5个状态，需要3位来表示（所以偏移量的29 = 32 - 3）
/**
* RUNNING : 接受新任务并且处理已经进入阻塞队列的任务
* SHUTDOWN ： 不接受新任务，但是处理已经进入阻塞队列的任务
* STOP : 不接受新任务，不处理已经进入阻塞队列的任务并且中断正在运行的任务
* TIDYING : 所有的任务都已经终止，workerCount为0， 线程转化为TIDYING状态并且调用terminated钩子函数
* TERMINATED: terminated钩子函数已经运行完成
**/
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
// 阻塞队列
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
// 可重入锁
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
// 存放工作线程集合
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
// 终止条件
private final Condition termination = mainLock.newCondition();
// 最大线程池容量
private int largestPoolSize;
// 已完成任务数量
private long completedTaskCount;
// 线程工厂
private volatile ThreadFactory threadFactory;
// 拒绝执行处理器
private volatile RejectedExecutionHandler handler;
// 线程等待运行时间
private volatile long keepAliveTime;
// 是否运行核心线程超时
private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;
// 核心池的大小
private volatile int corePoolSize;
// 最大线程池大小
private volatile int maximumPoolSize;
// 默认拒绝执行处理器
private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler =
new AbortPolicy();
构造方法
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
if (corePoolSize < 0 || // 核心大小不能小于0
maximumPoolSize <= 0 || // 线程池的初始最大容量不能小于0
maximumPoolSize < corePoolSize || // 初始最大容量不能小于核心大小
keepAliveTime < 0) // keepAliveTime不能小于0
throw new IllegalArgumentException();
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
// 初始化相应的域
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}
提交任务
/*
* 进行下面三步
*
* 1. 如果运行的线程小于corePoolSize,则尝试使用用户定义的Runnalbe对象创建一个新的线程
* 调用addWorker函数会原子性的检查runState和workCount，通过返回false来防止在不应
* 该添加线程时添加了线程
* 2. 如果一个任务能够成功入队列，在添加一个线城时仍需要进行双重检查（因为在前一次检查后
* 该线程死亡了），或者当进入到此方法时，线程池已经shutdown了，所以需要再次检查状态，
* 若有必要，当停止时还需要回滚入队列操作，或者当线程池没有线程时需要创建一个新线程
* 3. 如果无法入队列，那么需要增加一个新线程，如果此操作失败，那么就意味着线程池已经shut
* down或者已经饱和了，所以拒绝任务
*/
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
// 获取线程池控制状态
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { // worker数量小于corePoolSize
if (addWorker(command, true)) // 添加worker
// 成功则返回
return;
// 不成功则再次获取线程池控制状态
c = ctl.get();
}
// 线程池处于RUNNING状态，将用户自定义的Runnable对象添加进workQueue队列
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
// 再次检查，获取线程池控制状态
int recheck = ctl.get();
// 线程池不处于RUNNING状态，将自定义任务从workQueue队列中移除
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
// 拒绝执行命令
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0) // worker数量等于0
// 添加worker
addWorker(null, false);
}
else if (!addWorker(command, false)) // 添加worker失败
// 拒绝执行命令
reject(command);
}
addWorker
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原子性的增加workerCount。
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将用户给定的任务封装成为一个worker，并将此worker添加进workers集合中。
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启动worker对应的线程，并启动该线程，运行worker的run方法。
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回滚worker的创建动作，即将worker从workers集合中删除，并原子性的减少workerCount。
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) { // 外层无限循环
// 获取线程池控制状态
int c = ctl.get();
// 获取状态
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN && // 状态大于等于SHUTDOWN，初始的ctl为RUNNING，小于SHUTDOWN
! (rs == SHUTDOWN && // 状态为SHUTDOWN
firstTask == null && // 第一个任务为null
! workQueue.isEmpty())) // worker队列不为空
// 返回
return false;
for (;;) {
// worker数量
int wc = workerCountOf(c);
if (wc >= CAPACITY || // worker数量大于等于最大容量
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) // worker数量大于等于核心线程池大小或者最大线程池大小
return false;
if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) // 比较并增加worker的数量
// 跳出外层循环
break retry;
// 获取线程池控制状态
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateOf(c) != rs) // 此次的状态与上次获取的状态不相同
// 跳过剩余部分，继续循环
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
// worker开始标识
boolean workerStarted = false;
// worker被添加标识
boolean workerAdded = false;
//
Worker w = null;
try {
// 初始化worker
w = new Worker(firstTask);
// 获取worker对应的线程
final Thread t = w.thread;
if (t != null) { // 线程不为null
// 线程池锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
// 获取锁
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
// 线程池的运行状态
int rs = runStateOf(ctl.get());
if (rs < SHUTDOWN || // 小于SHUTDOWN
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { // 等于SHUTDOWN并且firstTask为null
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable // 线程刚添加进来，还未启动就存活
// 抛出线程状态异常
throw new IllegalThreadStateException();
// 将worker添加到worker集合
workers.add(w);
// 获取worker集合的大小
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize) // 队列大小大于largestPoolSize
// 重新设置largestPoolSize
largestPoolSize = s;
// 设置worker已被添加标识
workerAdded = true;
}
} finally {
// 释放锁
mainLock.unlock();
}
if (workerAdded) { // worker被添加
// 开始执行worker的run方法
t.start();
// 设置worker已开始标识
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted) // worker没有开始
// 添加worker失败
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
执行任务
runWorker函数中会实际执行给定任务（即调用用户重写的run方法），并且当给定任务完成后，会继续从阻塞队列中取任务，直到阻塞队列为空（即任务全部完成）。在执行给定任务时，会调用钩子函数，利用钩子函数可以完成用户自定义的一些逻辑。在runWorker中会调用到getTask函数和processWorkerExit钩子函数
final void runWorker(Worker w) {
// 获取当前线程
Thread wt = Thread.currentThread();
// 获取w的firstTask
Runnable task = w.firstTask;
// 设置w的firstTask为null
w.firstTask = null;
// 释放锁（设置state为0，允许中断）
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
try {
while (task != null || (task = getTask()) != null) { // 任务不为null或者阻塞队列还存在任务
// 获取锁
w.lock();
// If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
// if not, ensure thread is not interrupted. This
// requires a recheck in second case to deal with
// shutdownNow race while clearing interrupt
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) || // 线程池的运行状态至少应该高于STOP
(Thread.interrupted() && // 线程被中断
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) && // 再次检查，线程池的运行状态至少应该高于STOP
!wt.isInterrupted()) // wt线程（当前线程）没有被中断
wt.interrupt(); // 中断wt线程（当前线程）
try {
// 在执行之前调用钩子函数
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
// 运行给定的任务
task.run();
} catch (RuntimeException x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Error x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Throwable x) {
thrown = x; throw new Error(x);
} finally {
// 执行完后调用钩子函数
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
task = null;
// 增加给worker完成的任务数量
w.completedTasks++;
// 释放锁
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
// 处理完成后，调用钩子函数
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
此函数用于从workerQueue阻塞队列中获取Runnable对象，由于是阻塞队列，所以支持有限时间等待（poll）和无限时间等待（take）。在该函数中还会响应shutDown和、shutDownNow函数的操作，若检测到线程池处于SHUTDOWN或STOP状态，则会返回null，而不再返回阻塞队列中的Runnalbe对象。
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (;;) { // 无限循环，确保操作成功
// 获取线程池控制状态
int c = ctl.get();
// 运行的状态
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) { // 大于等于SHUTDOWN（表示调用了shutDown）并且（大于等于STOP（调用了shutDownNow）或者worker阻塞队列为空）
// 减少worker的数量
decrementWorkerCount();
// 返回null，不执行任务
return null;
}
// 获取worker数量
int wc = workerCountOf(c);
// Are workers subject to culling?
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; // 是否允许coreThread超时或者workerCount大于核心大小
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) // worker数量大于maximumPoolSize
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { // workerCount大于1或者worker阻塞队列为空（在阻塞队列不为空时，需要保证至少有一个wc）
if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) // 比较并减少workerCount
// 返回null，不执行任务，该worker会退出
return null;
// 跳过剩余部分，继续循环
continue;
}
try {
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : // 等待指定时间
workQueue.take(); // 一直等待，直到有元素
if (r != null)
return r;
// 等待指定时间后，没有获取元素，则超时
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
// 抛出了被中断异常，重试，没有超时
timedOut = false;
}
}
}
processWorkerExit函数是在worker退出时调用到的钩子函数，而引起worker退出的主要因素如下
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阻塞队列已经为空，即没有任务可以运行了。
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调用了shutDown或shutDownNow函数
此函数会根据是否中断了空闲线程来确定是否减少workerCount的值，并且将worker从workers集合中移除并且会尝试终止线程池。
private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
if (completedAbruptly) // 如果被中断，则需要减少workCount // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted
decrementWorkerCount();
// 获取可重入锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
// 获取锁
mainLock.lock();
try {
// 将worker完成的任务添加到总的完成任务中
completedTaskCount += w.completedTasks;
// 从workers集合中移除该worker
workers.remove(w);
} finally {
// 释放锁
mainLock.unlock();
}
// 尝试终止
tryTerminate();
// 获取线程池控制状态
int c = ctl.get();
if (runStateLessThan(c, STOP)) { // 小于STOP的运行状态
if (!completedAbruptly) {
int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty()) // 允许核心超时并且workQueue阻塞队列不为空
min = 1;
if (workerCountOf(c) >= min) // workerCount大于等于min
// 直接返回
return; // replacement not needed
}
// 添加worker
addWorker(null, false);
}
}
关闭线程池
public void shutdown() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// 检查shutdown权限
checkShutdownAccess();
// 设置线程池控制状态为SHUTDOWN
advanceRunState(SHUTDOWN);
// 中断空闲worker
interruptIdleWorkers();
// 调用shutdown钩子函数
onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
} finally {
mainLock.unlock();
}
// 尝试终止
tryTerminate();
}
final void tryTerminate() {
for (;;) { // 无限循环，确保操作成功
// 获取线程池控制状态
int c = ctl.get();
if (isRunning(c) || // 线程池的运行状态为RUNNING
runStateAtLeast(c, TIDYING) || // 线程池的运行状态最小要大于TIDYING
(runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty())) // 线程池的运行状态为SHUTDOWN并且workQueue队列不为null
// 不能终止，直接返回
return;
if (workerCountOf(c) != 0) { // 线程池正在运行的worker数量不为0 // Eligible to terminate
// 仅仅中断一个空闲的worker
interruptIdleWorkers(ONLY_ONE);
return;
}
// 获取线程池的锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
// 获取锁
mainLock.lock();
try {
if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) { // 比较并设置线程池控制状态为TIDYING
try {
// 终止，钩子函数
terminated();
} finally {
// 设置线程池控制状态为TERMINATED
ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));
// 释放在termination条件上等待的所有线程
termination.signalAll();
}
return;
}
} finally {
// 释放锁
mainLock.unlock();
}
// else retry on failed CAS
}
}
private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {
// 线程池的锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
// 获取锁
mainLock.lock();
try {
for (Worker w : workers) { // 遍历workers队列
// worker对应的线程
Thread t = w.thread;
if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) { // 线程未被中断并且成功获得锁
try {
// 中断线程
t.interrupt();
} catch (SecurityException ignore) {
} finally {
// 释放锁
w.unlock();
}
}
if (onlyOne) // 若只中断一个，则跳出循环
break;
}
} finally {
// 释放锁
mainLock.unlock();
}
}
