死磕 java线程系列之线程池深入解析——生命周期
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注：java源码分析部分如无特殊说明均基于 java8 版本。
注：线程池源码部分如无特殊说明均指ThreadPoolExecutor类。
简介
上一章我们一起重温了下线程的生命周期（六种状态还记得不？），但是你知不知道其实线程池也是有生命周期的呢？！
问题
（1）线程池的状态有哪些？
（2）各种状态下对于任务队列中的任务有何影响？
先上源码
其实，在我们讲线程池体系结构的时候，讲了一些方法，比如shutDown()/shutDownNow()，它们都是与线程池的生命周期相关联的。
我们先来看一下线程池ThreadPoolExecutor中定义的生命周期中的状态及相关方法：
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3; // =29
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1; // =000 11111...
// runState is stored in the high-order bits
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS; // 111 00000...
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS; // 000 00000...
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS; // 001 00000...
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS; // 010 00000...
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS; // 011 00000...
// 线程池的状态
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
// 线程池中工作线程的数量
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
// 计算ctl的值，等于运行状态“加上”线程数量
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
从上面这段代码，我们可以得出：
（1）线程池的状态和工作线程的数量共同保存在控制变量ctl中，类似于AQS中的state变量，不过这里是直接使用的AtomicInteger，这里换成unsafe+volatile也是可以的；
（2）ctl的高三位保存运行状态，低29位保存工作线程的数量，也就是说线程的数量最多只能有(2^29-1)个，也就是上面的CAPACITY；
（3）线程池的状态一共有五种，分别是RUNNING、SHUTDOWN、STOP、TIDYING、TERMINATED；
（4）RUNNING，表示可接受新任务，且可执行队列中的任务；
（5）SHUTDOWN，表示不接受新任务，但可执行队列中的任务；
（6）STOP，表示不接受新任务，且不再执行队列中的任务，且中断正在执行的任务；
（7）TIDYING，所有任务已经中止，且工作线程数量为0，最后变迁到这个状态的线程将要执行terminated()钩子方法，只会有一个线程执行这个方法；
（8）TERMINATED，中止状态，已经执行完terminated()钩子方法；
流程图
下面我们再来看看这些状态之间是怎么流转的：
（1）新建线程池时，它的初始状态为RUNNING，这个在上面定义ctl的时候可以看到；
（2）RUNNING->SHUTDOWN，执行shutdown()方法时；
（3）RUNNING->STOP，执行shutdownNow()方法时；
（4）SHUTDOWN->STOP，执行shutdownNow()方法时【本文由公从号“彤哥读源码”原创】；
（5）STOP->TIDYING，执行了shutdown()或者shutdownNow()后，所有任务已中止，且工作线程数量为0时，此时会执行terminated()方法；
（6）TIDYING->TERMINATED，执行完terminated()方法后；
源码分析
你以为贴个状态的源码，画个图就结束了嘛？那肯定不能啊，下面让我们一起来看看源码中是怎么控制的。
（1）RUNNING
RUNNING，比较简单，创建线程池的时候就会初始化ctl，而ctl初始化为RUNNING状态，所以线程池的初始状态就为RUNNING状态。
// 初始状态为RUNNING
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
（2）SHUTDOWN
执行shutdown()方法时把状态修改为SHUTDOWN，这里肯定会成功，因为advanceRunState()方法中是个自旋，不成功不会退出。
public void shutdown() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
// 修改状态为SHUTDOWN
advanceRunState(SHUTDOWN);
// 标记空闲线程为中断状态
interruptIdleWorkers();
onShutdown();
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
}
private void advanceRunState(int targetState) {
for (;;) {
int c = ctl.get();
// 如果状态大于SHUTDOWN，或者修改为SHUTDOWN成功了，才会break跳出自旋
if (runStateAtLeast(c, targetState) ||
ctl.compareAndSet(c, ctlOf(targetState, workerCountOf(c))))
break;
}
}
（3）STOP
执行shutdownNow()方法时，会把线程池状态修改为STOP状态，同时标记所有线程为中断状态。
public List<Runnable> shutdownNow() {
List<Runnable> tasks;
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
// 修改为STOP状态
advanceRunState(STOP);
// 标记所有线程为中断状态
interruptWorkers();
tasks = drainQueue();
} finally {
// 【本文由公从号“彤哥读源码”原创】
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
return tasks;
}
至于线程是否响应中断其实是在队列的take()或poll()方法中响应的，最后会到AQS中，它们检测到线程中断了会抛出一个InterruptedException异常，然后getTask()中捕获这个异常，并且在下一次的自旋时退出当前线程并减少工作线程的数量。
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 如果状态为STOP了，这里会直接退出循环，且减少工作线程数量
// 退出循环了也就相当于这个线程的生命周期结束了
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
int wc = workerCountOf(c);
// Are workers subject to culling?
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
try {
// 真正响应中断是在poll()方法或者take()方法中
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
// 这里捕获中断异常
timedOut = false;
}
}
}
这里有一个问题，就是已经通过getTask()取出来且返回的任务怎么办？
实际上它们会正常执行完毕，有兴趣的同学可以自己看看runWorker()这个方法，我们下一节会分析这个方法。
（4）TIDYING
当执行shutdown()或shutdownNow()之后，如果所有任务已中止，且工作线程数量为0，就会进入这个状态。
final void tryTerminate() {
for (;;) {
int c = ctl.get();
// 下面几种情况不会执行后续代码
// 1. 运行中
// 2. 状态的值比TIDYING还大，也就是TERMINATED
// 3. SHUTDOWN状态且任务队列不为空
if (isRunning(c) ||
runStateAtLeast(c, TIDYING) ||
(runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty()))
return;
// 工作线程数量不为0，也不会执行后续代码
if (workerCountOf(c) != 0) {
// 尝试中断空闲的线程
interruptIdleWorkers(ONLY_ONE);
return;
}
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// CAS修改状态为TIDYING状态
if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {
try {
// 更新成功，执行terminated钩子方法
terminated();
} finally {
// 强制更新状态为TERMINATED，这里不需要CAS了
ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));
termination.signalAll();
}
return;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
// else retry on failed CAS
}
}
实际更新状态为TIDYING和TERMINATED状态的代码都在tryTerminate()方法中，实际上tryTerminated()方法在很多地方都有调用，比如shutdown()、shutdownNow()、线程退出时，所以说几乎每个线程最后消亡的时候都会调用tryTerminate()方法，但最后只会有一个线程真正执行到修改状态为TIDYING的地方。
修改状态为TIDYING后执行terminated()方法，最后修改状态为TERMINATED，标志着线程池真正消亡了。
（5）TERMINATED
见TIDYING中分析。
彩蛋
本章我们一起从状态定义、流程图、源码分析等多个角度一起学习了线程池的生命周期，你掌握的怎么样呢？
下一章我们将开始学习线程池执行任务的主流程，对这一块内容感到恐惧的同学可以先看看彤哥之前写的“手写线程池”的两篇文章，对接下来学习线程池的主要流程非常有好处。
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