多线程并发编程总结（三）
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Java 线程池
在线程池的使用过程中，我们是往线程池提交任务（task），提交的每个任务是实现了 Runnable 接口的。
如果线程数达到 corePoolSize，我们的每个任务会提交到等待队列中，等待线程池中的线程来取任务并执行。
阻塞队列，在执行任务之前用于保存任务的队列维护着等待执行的Runnable对象。
当所有的核心线程都在干活时，新添加的任务会被添加到这个队列中等待处理，如果队列满了，则新建非核心线程执行任务。
Executor ExecutorService Executors
线程池 一 ScheduledThreadPoolExecutor
Executor 接口（只有提交任务的功能）
ExecutorService 接口（线程池通用功能）
public interface ExecutorService extends Executor {
void shutdown();
List<Runnable> shutdownNow();
boolean isShutdown();
// 如果调用了 shutdown() 或 shutdownNow() 方法后，所有任务结束了，那么返回true
// 这个方法必须在调用shutdown或shutdownNow方法之后调用才会返回true
boolean isTerminated();
// 等待所有任务完成，并设置超时时间
// 我们这么理解，实际应用中是，先调用 shutdown 或 shutdownNow，
// 然后再调这个方法等待所有的线程真正地完成，返回值意味着有没有超时
boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException;
// 提交一个 Callable 任务
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
// 提交一个 Runnable 任务，第二个参数将会放到 Future 中，作为返回值，
// 因为 Runnable 的 run 方法本身并不返回任何东西
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
// 提交一个 Runnable 任务
Future<?> submit(Runnable task);
// 执行所有任务，返回 Future 类型的一个 list
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
throws InterruptedException;
// 也是执行所有任务，但是这里设置了超时时间
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException;
// 只有其中的一个任务结束了，就可以返回，返回执行完的那个任务的结果
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
throws InterruptedException, ExecutionException;
// 同上一个方法，只有其中的一个任务结束了，就可以返回，返回执行完的那个任务的结果，
// 超时了还没有一个线程返回结果，那么抛出 TimeoutException 异常
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}
AbstractExecutorService（这个抽象类实现了 submit cancelAll invokeAny invokeAll 方法）
public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
return new FutureTask<T>(callable);
}
protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) {
return new FutureTask<T>(runnable, value);
}
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
execute(ftask);
return ftask;
}
}
FutureTask（将任务包装成 FutureTask）
public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V> {
private Callable<V> callable;
private Object outcome;
private volatile Thread runner;
private volatile WaitNode waiters;
public FutureTask(Callable<V> callable) {
if (callable == null)
throw new NullPointerException();
this.callable = callable;
this.state = NEW;
}
public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
this.callable = Executors.callable(runnable, result);
this.state = NEW;
}
}
Executors（工具类）
public class Executors {
public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
if (task == null)
throw new NullPointerException();
return new RunnableAdapter<T>(task, result);
}
//适配器模式
private static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> {
private final Runnable task;
private final T result;
RunnableAdapter(Runnable task, T result) {
this.task = task;
this.result = result;
}
public T call() {
task.run();
return result;
}
public String toString() {
return super.toString() + "[Wrapped task = " + task + "]";
}
}
}
ThreadPoolExecutor（实现了一个线程池需要的各个功能）
public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
//32 位的整数来存放线程池的状态和当前池中的线程数，其中高 3 位用于存放线程池状态，低 29 位表示线程数
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue; //任务队列，BlockingQueue 接口的某个实现
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<>(); //全部线程都在这里
private final Condition termination = mainLock.newCondition();
private int largestPoolSize; //用于记录 workers 中的个数的最大值
private long completedTaskCount;
private volatile ThreadFactory threadFactory; //线程工厂
private volatile RejectedExecutionHandler handler; //拒绝策略
private volatile long keepAliveTime; //空闲线程的保活时间
//corePoolSize 到 maximumPoolSize 之间的线程会被回收
//当然 corePoolSize 的线程也可以通过设置而得到回收->allowCoreThreadTimeOut(true)
private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;
private volatile int corePoolSize; //核心线程数
private volatile int maximumPoolSize; //最大线程数
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable{}
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
//如果当前线程数少于核心线程数，那么直接创建一个新的线程，
//并把当前任务 command 作为这个线程的第一个任务(firstTask)
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
//到这里说明，要么当前线程数大于等于核心线程数，要么刚刚 addWorker 失败了
//如果线程池处于 RUNNING 状态，把这个任务添加到任务队列 workQueue 中
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
//如果线程池已不处于 RUNNING 状态，那么移除已经入队的这个任务，并且执行拒绝策略
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
//如果线程池还是 RUNNING 的，并且线程数为 0，那么创建新的线程
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
//如果 workQueue 队列满了，那么进入到这个分支，
//以 maximumPoolSize 为界创建新的 worker，
//如果失败，说明当前线程数已经达到 maximumPoolSize，执行拒绝策略
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
//第二个参数为 true 代表使用核心线程数 corePoolSize 作为创建线程的界限，也就说创建这个线程的时候，
//如果线程池中的线程总数已经达到 corePoolSize，那么不能响应这次创建线程的请求
//如果是 false，代表使用最大线程数 maximumPoolSize 作为界限
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (int c = ctl.get();;) {
if (runStateAtLeast(c, SHUTDOWN)
&& (runStateAtLeast(c, STOP)
|| firstTask != null
|| workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
if (workerCountOf(c)
>= ((core ? corePoolSize : maximumPoolSize) & COUNT_MASK))
return false;
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
c = ctl.get();
if (runStateAtLeast(c, SHUTDOWN))
continue retry;
}
}
//检验完成，开始创建线程来执行任务
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
int c = ctl.get();
if (isRunning(c) ||
(runStateLessThan(c, STOP) && firstTask == null)) {
if (t.isAlive())
throw new IllegalThreadStateException();
//加到 workers 这个 HashSet 中
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
//添加成功的话，启动这个线程
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
//如果线程没有启动，需要做一些清理工作
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
}
Worker（线程池把一个个线程包装成了一个个Worker）（线程是 Worker，任务是 Runnable）
ThreadPoolExecutor：
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable {
final Thread thread; //执行任务的的线程
Runnable firstTask;
volatile long completedTasks; //用于存放此线程完成的任务数
Worker(Runnable firstTask) { //构造函数，创建一个新的线程
setState(-1);
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
public void run() {
runWorker(this);
}
}
//worker 在初始化的时候，可以指定 firstTask，那么第一个任务也就可以不需要从队列中获取
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock();
boolean completedAbruptly = true;
try {
while (task != null || (task = getTask()) != null) { //循环获取任务
w.lock();
//如果线程池状态大于等于 STOP，那么意味着该线程要中断
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
beforeExecute(wt, task);
try {
task.run(); //正式执行任务
afterExecute(task, null);
} catch (Throwable ex) {
afterExecute(task, ex);
throw ex;
}
} finally {
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
// 如果到这里，需要执行线程关闭：
// 1. 说明 getTask 返回 null，也就是说，队列中已经没有任务需要执行了，执行关闭
// 2. 任务执行过程中发生了异常
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
//此方法有三种可能：
// 1. 阻塞直到获取到任务返回。我们知道，默认 corePoolSize 之内的线程是不会被回收的，
// 它们会一直等待任务
// 2. 超时退出。keepAliveTime 起作用的时候，也就是如果这么多时间内都没有任务，那么应该执行关闭
// 3. 如果发生了以下条件，此方法必须返回 null:
// - 池中有大于 maximumPoolSize 个 workers 存在(通过调用 setMaximumPoolSize 进行设置)
// - 线程池处于 SHUTDOWN，而且 workQueue 是空的，前面说了，这种不再接受新的任务
// - 线程池处于 STOP，不仅不接受新的线程，连 workQueue 中的线程也不再执行
//如果返回null，则表明线程需要关闭
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false;
for (;;) {
int c = ctl.get();
if (runStateAtLeast(c, SHUTDOWN)
&& (runStateAtLeast(c, STOP) || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
int wc = workerCountOf(c);
// Are workers subject to culling?
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
//如果 setMaximumPoolSize() 将线程池的 maximumPoolSize 调小了，
//那么多余的 Worker 就需要被关闭
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
//到 workQueue 中获取任务
try {
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}
Executors：
private static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
private final ThreadGroup group;
private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
private final String namePrefix;
public Thread newThread(Runnable r) {
Thread t = new Thread(group, r,
namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
0);
if (t.isDaemon())
t.setDaemon(false);
if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
return t;
}
}
线程池中的各个状态和状态变化的转换过程
RUNNING：
接受新的任务，处理等待队列中的任务
SHUTDOWN：
不接受新的任务提交，但是会继续处理等待队列中的任务
STOP：
不接受新的任务提交，不再处理等待队列中的任务，中断正在执行任务的线程
TIDYING：
所有的任务都销毁了，workCount 为 0。线程池的状态在转换为 TIDYING 状态时，会执行钩子方法 terminated()
TERMINATED：terminated() 方法结束后，线程池的状态就会变成这个
RUNNING -> SHUTDOWN：调用了 shutdown() 后
(RUNNING or SHUTDOWN) -> STOP：调用 shutdownNow() 后
SHUTDOWN -> TIDYING：当任务队列和线程池都清空后
STOP -> TIDYING：当任务队列清空后，发生这个转换
TIDYING -> TERMINATED：当 terminated() 方法结束后
线程池中的线程创建时机
如果当前线程数少于 corePoolSize，那么提交任务的时候创建一个新的线程，并由这个线程执行这个任务
如果当前线程数已经达到 corePoolSize，那么将提交的任务添加到队列中，等待线程池中的线程去队列中取任务
如果队列已满，那么创建新的线程来执行任务，需要保证池中的线程数不会超过 maximumPoolSize。
如果此时线程数超过了 maximumPoolSize，那么执行拒绝策略。
任务执行过程中发生异常怎么处理
如果某个任务执行出现异常，那么执行任务的线程会被关闭，而不是继续接收其他任务。然后会启动一个新的线程来代替它。
