【Java 线程池】【四】ThreadPoolExector中的Worker工作者原理
1 前言
上一节我们看了ThreadPoolExecutor线程池的execute内部方法流程，addWorker方法流程，看到Worker是线程池内部的工作者，每个Worker内部持有一个线程，addWorker方法创建了一个Worker工作者，并且放入HashSet的容器中，那么这节我们就来看看Worker是如何工作的。
2 内部属性
我们先来看下Worker的属性：
private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable { // Worker内部持有的工作线程，就是依靠这个线程来不断运行线程池中的一个个task的 final Thread thread; // 提交给这个Worker的首个任务 Runnable firstTask; // 一个统计变量，记录着这个worker总共完成了多少个任务 volatile long completedTasks; // 构造方法，创建Worker的时候给这个worker传入第一个运行的任务 Worker(Runnable firstTask) { // 初始化AQS内部的state资源变量为-1 setState(-1); // 保存一下首个任务 this.firstTask = firstTask; // 使用线程工厂创建出来一个线程，这个线程负责运行任务 this.thread = getThreadFactory().newThread(this); } // 内部的run方法，这个方法执行一个个任务 public void run() { // runWorker方法，去运行一个个task runWorker(this); } // 实现AQS的互斥锁，这里是否持有互斥锁，不等于0就是持有 protected boolean isHeldExclusively() { return getState() != 0; } // 实现AQS加互斥锁逻辑，就是CAS将state从0设置为1，成功就获取锁 protected boolean tryAcquire(int unused) { if (compareAndSetState(0, 1)) { setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); return true; } return false; } // 是新AQS释放互斥锁逻辑，就是将state变量从1设置为0，成功就释放锁成功 protected boolean tryRelease(int unused) { setExclusiveOwnerThread(null); setState(0); return true; } // 加锁 public void lock() { acquire(1); } // 尝试加锁 public boolean tryLock() { return tryAcquire(1); } // 解锁 public void unlock() { release(1); } // 是否持有锁 public boolean isLocked() { return isHeldExclusively(); } }
可以发现：
（1）Worker工作者继承了AQS，是一个同步器
（2）Worker实现了Runnable接口
为什么要这么做呢？我们往下看。
3 runWorker方法
final void runWorker(Worker w) { Thread wt = Thread.currentThread(); // 获取worker的第一个任务firstTask，赋值给task（要运行的任务） Runnable task = w.firstTask; // firstTask传给task之后，设置firstTask为null （方便firstTask完成之后垃圾回收） w.firstTask = null; // 初始化一下，将w的同步器设置为解锁状态 w.unlock(); // allow interrupts boolean completedAbruptly = true; try { // 这里是重点 // 假如task != null ，是因为上边将firstTask设置给了task，所以优先运行第一个任务firstTask // 假如task == null，那么调用getTask方法，从线程池的阻塞队列里面取任务出来 while (task != null || (task = getTask()) != null) { // 运行任务之前需要进行加锁 w.lock(); // 这里就是校验一下线程池的状态 // 如果是STOP、TIDYING、TERMINATED 需要中断一下当前线程wt if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) || (Thread.interrupted() && runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) && !wt.isInterrupted()) wt.interrupt(); try { // 这里是一个钩子，执行任务前可以做一些自定义操作 beforeExecute(wt, task); Throwable thrown = null; try { // 这里就是运行任务了，调用task的run方法执行task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 { // 这里就是一个后置钩子，运行完毕任务之后可以做一些自定义操作 afterExecute(task, thrown); } } finally { // 运行完task之后，需要设置task为null，否则就会死循环不断运行 task = null; // 将worker完成的任务数+1, w.completedTasks++; // 解锁 w.unlock(); } } // 如果走到这里，说明跳出了上面的while循环，当前worker需要进行销毁了 completedAbruptly = false; } finally { // 销毁当前worker processWorkerExit(w, completedAbruptly); } }
我们画个图理解一下：
上面的核心流程主要是：
（1）在一个while循环里面，不断的运行任务task，task 的来源可能有两种
（2）task可能是创建worker的时候传入的firstTask，或者是调用getTask方法从阻塞队列取出的task
（3）每次调用task.run方法执行任务之前，需要先加锁，然后运行task任务，然后释放锁锁
（4）每次循环前，如果获取运行的task任务为null，则需要跳出while循环，准备销毁这个worker了
4 getTask方法
private Runnable getTask() { boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out? // 在一个循环里面，进行重试 for (;;) { // 获取当前线程池的控制变量（包含线程池状态、线程数量） int c = ctl.get(); // 获取当前线程池的状态 int rs = runStateOf(c); // 如果当前线程池状态是STOP、TIDYING、TERMINATED，则说明线程池关闭了，直接返回null // 如果当前线程池状态为SHUTDOWN、并且阻塞队列是空，说明线程池即将关闭，并且没有多余要执行的任务了，直接返回ull if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) { decrementWorkerCount(); return null; } // 计算当前线程池中线程数量wc int wc = workerCountOf(c); // 注意这里的timed控制变量很重要，表示从阻塞队列中获取任务的时候，是一直阻塞还是具有超时时间的阻塞 // （1）当前线程数量 wc > corePoolSize 的时候为true // 假如corePoolSize = 5, maximumPoolSize = 0, wc = 8 // 当前线程数8 > corePoolSize，那么多出的这3个线程，在keepAliveTime时间内空闲就干掉 // (2) 当allowCoreThreadTimeout 为true，则timed为true // 这里的意思是，线程池内的线程，只要超过keepAliveTime空闲的全部干掉 boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; // wc > maximumPoolSize 正常情况不可能发生的 // 这里的意思是如果超时了，超时了还取不到任务，就返回null if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) return null; continue; } try { // 这的意思就是 // 如果timed == true， 从阻塞队列取任务最多阻塞keepAliveTime时间，如果娶不到返回null // 如果timed == false。则调用take方法从阻塞队列取任务，一直阻塞，知道取到任务位置 // 这里涉及的一些阻塞队列的知识，我们在上一篇并发容器的时候已经非常深入的分析过了 Runnable r = timed ? // 调用poll方法，最多阻塞keepAliveTime时间 workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : // 调用take方法，在取到任务之前会一直阻塞 workQueue.take(); // 如果从队列取到任务，直接返回 if (r != null) return r; // 否则就是超时了 timedOut = true; } catch (InterruptedException retry) { timedOut = false; } } }
我们画个图理解一下：
上面的核心流程主要是：
（1）判断一下当前线程池的状态，如果是STOP、TIDYING、TERMINATED状态中的一种，那么直接返回null，别执行任务了，线程池就要销毁了，赶紧销毁掉所有的worker
（2）如果是SHUTDOWN，并且workerQueue阻塞队列是空，说明线程池即将关闭，并且没有多余的任务了，所以worker也可以被销毁了
（3）如果当前线程数量 wc > corePoolSize，也就是线程数量大于核心线程数，此时多出的这部分线程在keepAliveTimeout时间内没能从阻塞队列取出任务，则返回null，也要销毁这些多出的worker
（4）如果allowCoreThreadTimeout == true，这个表示允许销毁所有线程包括核心线程，就是任意一个线程超过keepAliveTimeout时间内没取到任务，就会被干掉。
5 空闲线程被销毁
最后看下Worker是怎么被销毁的：
private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) { // completeAbruptly表示当前线程是否因为被中断而被销毁的 // 如果是正常情况，因为keepAliveTimeout空闲而被销毁，则为false if (completedAbruptly) decrementWorkerCount(); final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; // 加锁 mainLock.lock(); try { // 计算一下线程池完成总的任务数量 completedTaskCount += w.completedTasks; // 从HashSet容器中移除当前的worker workers.remove(w); } finally { // 释放锁 mainLock.unlock(); } // 尝试中止线程池，这里我们后面的章节再分析 tryTerminate(); int c = ctl.get(); // 如果当前线程状态为RUNNING、SHUTDOWN if (runStateLessThan(c, STOP)) { if (!completedAbruptly) { // 这就是计算一下当前线程池允许的最小线程数 // 正常情况是min=corePoolSize，但是当allowCoreThreadTimeout为true时候，允许销毁所有线程，则min=0 int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize; // 如果min = 0 并且 阻塞队列非空，说明还有任务没执行 // 此时最少要保留1个线程去运行这些任务，不能销毁所有 if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty()) min = 1; // 如果当前线程数量 >= min值，可以了，销毁动作结束了 if (workerCountOf(c) >= min) return; // replacement not needed } // 说明completedAbruptly == true，说明可能是因为线程被中断（interrupted方法）而被销毁 // 此时可能还有很多任务还没执行，需要加会容器里面 addWorker(null, false); } }
上面主要就是做了：
（1）如果是正常情况keepAliveTimeout空闲时间被销毁，则从HashSet容器里面移除即可
（2）如果当前线程池状态是RUNNING、SHUTDOWN，说明还有一些任务没执行。
从HashSet容器移除当前worker之后，需要判断一下如果worker是因为异常情况被中断，需要新创建worker来继续执行任务
我们这里看到worker继承了AQS，每次worker执行任务之前都需要lock加锁，这是为什么呢？那就需要看下interruptIdleWorker方法了，interruptIdleWorker方法是销毁空闲的线程的意思。
private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) { final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { // 遍历容器中的所有worker for (Worker w : workers) { Thread t = w.thread; // 这里核心点就是要调用w.tryLock方法尝试获取锁 if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) { try { // 只有获取w工作者的互斥锁之后才能中断它 t.interrupt(); } catch (SecurityException ignore) { } finally { // 释放锁 w.unlock(); } } if (onlyOne) break; } } finally { mainLock.unlock(); } }
我们可以发现：
（1）因为Worker执行每个task的之前，都要执行w.lock，对worker进行加锁，然后才能执行task任务。
（2）此时如果有别的线程要中断Worker，也需要获取w的互斥锁，执行w.tryLock()方法。
（3）如果执行tryLock加锁失败，说明当前Worker方法正在执行task，不允许中断，否则可能task执行一半，线程就被中断，导致一些数据异常问题。
所以说加锁就是为了防止Worker正在执行任务的时候，被人直接中断，导致异常。
其实ThreadPoolExecutor方法提供了直接暴力中断所有线程的方法，也就是不管当前Worker是否正在执行task任务，都会直接被中止掉的。而interruptIdleWorkers()这个方法是比较优雅的进行中断，中断worker之前，会先获取锁，如果失败则不允许中断。关于暴力中止线程池、以及其它中止线程池的方式，我们后面会说。
6 小结
到这里Worker的执行原理就看的差不多了，有理解不对的地方欢迎指正哈。
