Java线程池详解
摘抄自:https://blog.csdn.net/mu_wind/article/details/103480627
通过前文 线程的创建与使用 ,我们对线程有了一定了解。线程的创建与销毁需要依赖操作系统,其代价是比较高昂的,频繁地创建与销毁线程对系统性能影响较大。
出于线程管理的需要,线程池应运而生。线程池是一种多线程处理形式,处理过程中将任务提交到线程池,任务的执行交由线程池来管理。使用线程池的好处在于:
- 降低资源消耗:线程池通常会维护一些线程(数量为 corePoolSize),这些线程被重复使用来执行不同的任务,任务完成后不会销毁。在待处理任务量很大的时候,通过对线程资源的复用,避免了线程的频繁创建与销毁,从而降低了系统资源消耗。
- 提高响应速度:由于线程池维护了一批 alive 状态的线程,当任务到达时,不需要再创建线程,而是直接由这些线程去执行任务,从而减少了任务的等待时间。
- 提高线程的可管理性:使用线程池可以对线程进行统一的分配,调优和监控。
1 Executor框架
在Java中,线程池是由Executor框架实现的,Executor是最顶层的接口定义,其子类和实现类包括:ExecutorService,ScheduledExecutorService,ThreadPoolExecutor,ScheduledThreadPoolExecutor,ForkJoinPool等。
类图如下:
- Executor:Executor是一个接口,只定义了一个execute()方法(void execute(Runnable command);),只能提交Runnable形式的任务,不支持提交Callable带有返回值的任务。
- ExecutorService:ExecutorService在Executor的基础上加入了线程池的生命周期管理,可以通过shutdown或者shutdownNow方法来关闭线程池,关于这两个方法后文有详细说明。ExecutorService支持提交Callable形式的任务,提交完Callable任务后拿到一个Future(代表一个异步任务执行的结果)。
- ThreadPoolExecutor:是线程池中最核心的类,后面有详细说明。
- ScheduledThreadPoolExecutor:ThreadPoolExecutor子类,它在ThreadPoolExecutor基础上加入了任务定时执行的功能。
2 线程池的创建
Executors中提供了一系列静态方法创建线程池:
- newSingleThreadExecutor:一个单线程的线程池。如果因异常结束,会再创建一个新的,保证按照提交顺序执行。
- newFixedThreadPool:创建固定大小的线程池。根据提交的任务逐个增加线程,直到最大值保持不变。如果因异常结束,会新创建一个线程补充。
newCachedThreadPool:创建一个可缓存的线程池。会根据任务自动新增或回收线程。 - newScheduledThreadPool:支持定时以及周期性执行任务的需求。
- newWorkStealingPool:JDK8新增,根据所需的并行层次来动态创建和关闭线程,通过使用多个队列减少竞争,底层使用ForkJoinPool来实现。优势在于可以充分利用多CPU,把一个任务拆分成多个“小任务”,放到多个处理器核心上并行执行;当多个“小任务”执行完成之后,再将这些执行结果合并起来即可。
观察源码发现,这些静态方法其实还是调用了 ThreadPoolExecutor 这个类,下面是一部分源码:
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
threadFactory);
}
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
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3 线程池的实现
前面提到的java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor类是线程池中最核心的一个类,线程池的诸多功能都是在这个类中实现的,值得我们好好研究一番。
一开始,我们先用一个通俗的例子来帮助我们理解线程池的运行机制:
假如我们建了一家加工厂,那么第一个问题来了:工人编制规模是多少?(这个数字就对应线程池的 corePoolSize,即线程池核心线程数量)
接下来,假定工厂满编20个工人,那么第二个问题就是工人怎么招?(也就是线程池的线程初始化策略)根据老板的豪气程度无非有三种方式:
- 第一种,老板抠到极致,不见兔子不撒鹰,接一部分活儿招一个工人,直到满编(也就是不进行线程池的线程初始化)
- 第二种,老板精打细算,先招一个人充充门面(即调用 prestartCoreThread() 初始化一个核心线程)
- 第三种,老板豪气万丈,不管有没有活干,先把工人都安排到位(即调用prestartAllCoreThreads(),初始化所有核心线程)
不管怎么样,工人总是要来的,那么工人的劳动合同该如何签呢?是终身劳动合同,厂子不倒,人员不散?还是铁打的营盘流水的兵?
- 前者就是 allowCoreThreadTimeOut 设置为 false,即核心线程不设置存活时间
- 后者就是 allowCoreThreadTimeOut 设置为 true,即核心线程设置存活时间,存活时间的长度就是 keepAliveTime
接下来,工厂的生产线也建设起来了(在线程池里称之为 HashSet<Worker> workers),工人进入这条生产线进行生产。
完事俱备,工厂开始接受订单。为了更好地调度生产,一个调度员入职,英文名字execute。在拿到订单后,调度员execute按既定流程开始工作:
- 清点一下当前的工人人数(即线程池的 poolSize),发现人员没满编,于是立马招一个工人来接下这个工作任务。
- 工人人数满编了,于是调度室把待加工的构建放置到工厂仓库(即任务队列BlockingQueue<Runnable> workQueue),等待有干完活儿的工人来处理,当然工人是没这个主动性的,所以又一个调度员 getTask 入职了,他的任务就是实时将仓库的待加工任务分配给空闲下来的工人。
- 繁忙的时候,调度员execute发现工人满负荷工作,仓库也堆满了,而订单还在雪花般飞来,为了把这些订单消化掉,execute 赶紧招了一批临时工,把工厂工人规模临时扩大到极致(即 maximumPoolSize,线程池最大容量)。当然当生产任务没那么繁忙时,这些临时工就要被裁撤了,毕竟临时工是有成本的。
- 当临时工都到位后,订单仍然源源不断,老板也只能忍痛割爱,拒绝后续订单了(即线程池的拒绝策略)。
工厂当然不能稀里糊涂地一门心思生产,毕竟工厂业绩老板是很关心的,于是生产总量要被统计(即 completedTaskCount,线程池已完成的任务数)。工厂最多有过多少工人也被顺手统计了(即 largestPoolSize,线程池出现过的最大线程数)
当有一天,工厂因为某原因关闭时,会有两种情形:
- 工厂宣布关闭,不再接受订单,但会把已经接受的订单做完,然后遣散工人(即 调用 shutdown()关闭线程池,比较柔和的关闭方式)
- 工厂宣布立即关闭,不仅不再接受订单,而且把仓库里的待加工组件清空,工人停止手头的工作并遣散(即调用 shutdownNow(),比较激进的关闭方式)。
根据上面的例子,提炼出线程池执行任务的流程图,当然这个流程图比较简略。
3.1 构造方法
在ThreadPoolExecutor类中提供了四个构造方法:
public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue);
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory);
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue,RejectedExecutionHandler handler);
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler);
}
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下面解释下一下构造器中各个参数的含义:
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corePoolSize:线程池容量,这个参数跟后面讲述的线程池的实现原理有非常大的关系。在创建了线程池后,默认情况下,线程池中并没有任何线程,而是等待有任务到来才创建线程去执行任务,除非调用了prestartAllCoreThreads()或者prestartCoreThread()方法(从这2个方法的名字就可以看出,是预创建线程的意思,即在没有任务到来之前就创建corePoolSize个线程或者一个线程)。当线程池中的线程数目达到corePoolSize后,就会把到达的任务放到缓存队列当中。
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maximumPoolSize:线程池最大线程数,这个参数也是一个非常重要的参数,它表示在线程池中最多能创建多少个线程。
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keepAliveTime:表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。默认情况下,只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时,keepAliveTime才会起作用,直到线程池中的线程数不大于corePoolSize,即当线程池中的线程数大于corePoolSize时,如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime,则会终止,直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。但是如果调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法,在线程池中的线程数不大于corePoolSize时,keepAliveTime参数也会起作用,直到线程池中的线程数为0。
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unit:参数keepAliveTime的时间单位,有7种取值,在TimeUnit类中有7种静态属性:
- 天:TimeUnit.DAYS;
- 小时:TimeUnit.HOURS;
- 分钟:TimeUnit.MINUTES;
- 秒:TimeUnit.SECONDS;
- 毫秒:TimeUnit.MILLISECONDS;
- 微秒:TimeUnit.MICROSECONDS;
- 纳秒:TimeUnit.NANOSECONDS;
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workQueue:一个阻塞队列,用来存储等待执行的任务,这个参数的选择也很重要,会对线程池的运行过程产生重大影响,一般来说,这里的阻塞队列有以下几种选择:
- ArrayBlockingQueue:基于数组结构的有界阻塞队列,按FIFO排序任务;
- LinkedBlockingQuene:基于链表结构的阻塞队列,按FIFO排序任务,吞吐量通常要高于ArrayBlockingQuene;
- SynchronousQuene: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LinkedBlockingQuene;
- priorityBlockingQuene:具有优先级的无界阻塞队列;
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threadFactory:线程工厂,主要用来创建线程;
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handler:表示当拒绝处理任务时的策略,有以下四种取值:
- ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
- ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy:也是丢弃任务,但是不抛出异常。
- ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy:丢弃队列最前面的任务,然后重新尝试执行任务(重复此过程)
- ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy:由调用线程处理该任务
ThreadPoolExecutor、AbstractExecutorService、ExecutorService和Executor几个之间的关系:
- ThreadPoolExecutor继承了AbstractExecutorService,AbstractExecutorService是一个抽象类,它实现了ExecutorService接口。
- ExecutorService又是继承了Executor接口,Executor是顶层接口。
3.2 重要成员变量
接下来看一下ThreadPoolExecutor类中其他的一些比较重要成员变量:
// 任务缓存队列,用来存放等待执行的任务
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
//线程池的主要状态锁,对线程池状态(比如线程池大小、runState等)的改变都要使用这个锁
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
//用来存放工作集
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
//线程存活时间
private volatile long keepAliveTime;
//是否允许为核心线程设置存活时间
private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;
//核心池的大小(即线程池中的线程数目大于这个参数时,提交的任务会被放进任务缓存队列)
private volatile int corePoolSize;
//线程池最大能容忍的线程数
private volatile int maximumPoolSize;
//线程池中当前的线程数
private volatile int poolSize;
//任务拒绝策略
private volatile RejectedExecutionHandler handler;
//线程工厂,用来创建线程
private volatile ThreadFactory threadFactory;
//用来记录线程池中曾经出现过的最大线程数
private int largestPoolSize;
//用来记录已经执行完毕的任务个数
private long completedTaskCount;
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3.3 线程池状态
在ThreadPoolExecutor中定义了一个volatile变量,另外定义了几个static final变量表示线程池的各个状态:
volatile int runState;
static final int RUNNING = 0;
static final int SHUTDOWN = 1;
static final int STOP = 2;
static final int TERMINATED = 3;
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runState表示当前线程池的状态,它是一个 volatile 变量用来保证线程之间的可见性。
下面的几个static final变量表示runState可能的几个取值,有以下几个状态:
- RUNNING:当创建线程池后,初始时,线程池处于RUNNING状态;
- SHUTDOWN:如果调用了shutdown()方法,则线程池处于SHUTDOWN状态,此时线程池不能够接受新的任务,它会等待所有任务执行完毕;
- STOP:如果调用了shutdownNow()方法,则线程池处于STOP状态,此时线程池不能接受新的任务,并且会去尝试终止正在执行的任务;
- TERMINATED:当线程池处于SHUTDOWN或STOP状态,并且所有工作线程已经销毁,任务缓存队列已经清空或执行结束后,线程池被设置为TERMINATED状态。
3.4 任务的执行
诸多函数的调用关系图:
3.4.1 execute()
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方法说明:在ThreadPoolExecutor类中,任务提交方法的入口是execute(Runnable command) 方法(submit()方法也是调用了execute()),该方法其实只在尝试做一件事:经过各种校验之后,调用 addWorker(Runnable command,boolean core) 方法为线程池创建一个线程并执行任务,与之相对应,execute() 的结果有两个:
- 成功调用了addWorker()(剩下的执行任务要交给后续方法去完成了)
- 未能调用addWorker并拒绝本次任务,返回null。
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参数说明:
- Runnable command:待执行的任务
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执行流程:
- 通过 ctl.get() 得到线程池的当前线程数,如果线程数小于corePoolSize,则调用 addWorker(commond,true) 方法创建新的线程执行任务,否则执行步骤2;
- 步骤1失败,说明已经无法再创建新线程,那么考虑将任务放入阻塞队列,等待执行完任务的线程来处理。基于此,判断线程池是否处于Running状态(只有Running状态的线程池可以接受新任务),如果任务添加到任务队列成功则进入步骤3,失败则进入步骤4;
- 来到这一步需要说明任务已经加入任务队列,这时要二次校验线程池的状态,会有以下情形:
- 线程池不再是Running状态了,需要将任务从任务队列中移除,如果移除成功则拒绝本次任务。
- 线程池是Running状态,则判断线程池工作线程是否为0,是则调用 addWorker(commond,true) 添加一个没有初始任务的线程(这个线程将去获取已经加入任务队列的本次任务并执行),否则进入步骤4;
- 线程池不是Running状态,但从任务队列移除任务失败(可能已被某线程获取?),进入步骤4;
- 将线程池扩容至maximumPoolSize并调用 addWorker(commond,false) 方法创建新的线程执行任务,失败则拒绝本次任务。
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流程图:
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源码详读:
/**
* Executes the given task sometime in the future. The task
* may execute in a new thread or in an existing pooled thread.
* 在将来的某个时候执行给定的任务。任务可以在新线程中执行,也可以在现有的池线程中执行。
* If the task cannot be submitted for execution, either because this
* executor has been shutdown or because its capacity has been reached,
* the task is handled by the current {@code RejectedExecutionHandler}.
* 如果由于此执行器已关闭或已达到其容量而无法提交任务以供执行,则由当前的{@code RejectedExecutionHandler}处理该任务。
* @param command the task to execute 待执行的任务命令
* @throws RejectedExecutionException at discretion of
* {@code RejectedExecutionHandler}, if the task
* cannot be accepted for execution
* @throws NullPointerException if {@code command} is null
*/
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
/*
* Proceed in 3 steps:
*
* 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to
* start a new thread with the given command as its first
* task. The call to addWorker atomically checks runState and
* workerCount, and so prevents false alarms that would add
* threads when it shouldn't, by returning false.
* 如果运行的线程少于corePoolSize,请尝试以给定的命令作为第一个任务启动新线程。
* 对addWorker的调用以原子方式检查runState和workerCount,
* 因此可以通过返回false来防止在不应该添加线程时出现错误警报。
*
* 2. If a task can be successfully queued, then we still need
* to double-check whether we should have added a thread
* (because existing ones died since last checking) or that
* the pool shut down since entry into this method. So we
* recheck state and if necessary roll back the enqueuing if
* stopped, or start a new thread if there are none.
* 如果一个任务可以成功排队,那么我们仍然需要仔细检查两点,其一,我们是否应该添加一个线程
* (因为自从上次检查至今,一些存在的线程已经死亡),其二,线程池状态此时已改变成非运行态。因此,我们重新检查状态,如果检查不通过,则移除已经入列的任务,如果检查通过且线程池线程数为0,则启动新线程。
* 3. If we cannot queue task, then we try to add a new
* thread. If it fails, we know we are shut down or saturated
* and so reject the task.
* 3. 如果无法将任务加入任务队列,则将线程池扩容到极限容量并尝试创建一个新线程,
* 如果失败则拒绝任务。
*/
int c = ctl.get();
// 步骤1:判断线程池当前线程数是否小于线程池大小
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
// 增加一个工作线程并添加任务,成功则返回,否则进行步骤2
// true代表使用coreSize作为边界约束,否则使用maximumPoolSize
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 步骤2:不满足workerCountOf(c) < corePoolSize或addWorker失败,进入步骤2
// 校验线程池是否是Running状态且任务是否成功放入workQueue(阻塞队列)
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
// 再次校验,如果线程池非Running且从任务队列中移除任务成功,则拒绝该任务
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 如果线程池工作线程数量为0,则新建一个空任务的线程
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
// 如果线程池不是Running状态,是加入不进去的
addWorker(null, false);
}
// 步骤3:如果线程池不是Running状态或任务入列失败,尝试扩容maxPoolSize后再次addWorker,失败则拒绝任务
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
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3.4.2 addWorker()
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方法说明:
addWorker(Runnable firstTask, boolean core) 方法,顾名思义,向线程池添加一个带有任务的工作线程。 -
参数说明:
- Runnable firstTask:新创建的线程应该首先运行的任务(如果没有,则为空)。
- boolean core:该参数决定了线程池容量的约束条件,即当前线程数量以何值为极限值。参数为 true 则使用corePollSize 作为约束值,否则使用maximumPoolSize。
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执行流程:
- 外层循环判断线程池的状态是否可以新增工作线程。这层校验基于下面两个原则:
- 线程池为Running状态时,既可以接受新任务也可以处理任务
- 线程池为关闭状态时只能新增空任务的工作线程(worker)处理任务队列(workQueue)中的任务不能接受新任务
- 内层循环向线程池添加工作线程并返回是否添加成功的结果。
- 首先校验线程数是否已经超限制,是则返回false,否则进入下一步
- 通过CAS使工作线程数+1,成功则进入步骤3,失败则再次校验线程池是否是运行状态,是则继续内层循环,不是则返回外层循环
- 核心线程数量+1成功的后续操作:添加到工作线程集合,并启动工作线程
- 首先获取锁之后,再次校验线程池状态(具体校验规则见代码注解),通过则进入下一步,未通过则添加线程失败
- 线程池状态校验通过后,再检查线程是否已经启动,是则抛出异常,否则尝试将线程加入线程池
- 检查线程是否启动成功,成功则返回true,失败则进入 addWorkerFailed 方法
- 外层循环判断线程池的状态是否可以新增工作线程。这层校验基于下面两个原则:
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流程图:
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源码详读:
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
// 外层循环:判断线程池状态
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
/**
* 1.线程池为非Running状态(Running状态则既可以新增核心线程也可以接受任务)
* 2.线程为shutdown状态且firstTask为空且队列不为空
* 3.满足条件1且条件2不满足,则返回false
* 4.条件2解读:线程池为shutdown状态时且任务队列不为空时,可以新增空任务的线程来处理队列中的任务
*/
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
// 内层循环:线程池添加核心线程并返回是否添加成功的结果
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
// 校验线程池已有线程数量是否超限:
// 1.线程池最大上限CAPACITY
// 2.corePoolSize或maximumPoolSize(取决于入参core)
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
// 通过CAS操作使工作线程数+1,跳出外层循环
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
// 线程+1失败,重读ctl
c = ctl.get(); // Re-read ctl
// 如果此时线程池状态不再是running,则重新进行外层循环
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// 其他 CAS 失败是因为工作线程数量改变了,继续内层循环尝试CAS对线程数+1
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
/**
* 核心线程数量+1成功的后续操作:添加到工作线程集合,并启动工作线程
*/
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
// 下面代码需要加锁:线程池主锁
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
// 持锁期间重新检查,线程工厂创建线程失败或获取锁之前关闭的情况发生时,退出
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 再次检验线程池是否是running状态或线程池shutdown但线程任务为空
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
// 线程已经启动,则抛出非法线程状态异常
// 为什么会存在这种状态呢?未解决
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w); //加入线程池
int s = workers.size();
// 如果当前工作线程数超过线程池曾经出现过的最大线程数,刷新后者值
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock(); // 释放锁
}
if (workerAdded) { // 工作线程添加成功,启动该线程
t.start();
workerStarted = true;
}