Java 7之多线程线程池 - 线程池原理（2）

线程池能够复用线程，减少线程创建，销毁，恢复等状态切换的开销，提高程序的性能。一个线程池管理了一组工作线程，同时它还包括了一个用于放置等待执行的任务的队列。

ThreadPoolExecutor类中定义了一些与线程状态与活动线程数相关的一些变量，如下：

 private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));    // 将整型的24位分为高3位和低29位，高3位表示线程池的状态,低29位表示活动的线程数    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;    private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;// 29位能表示的最大二进制整数，也就是活动线程数    // 高3位数值代表的线程池状态    private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;    // running 线程池能接受新任务    private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;    // shutdown 线程池不再接受新任务    private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;    // stop 线程池不再接受新任务，不再执行队列中的任务，而且要中断正在处理的任务    private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;    // tidying 线程池所有任务均已终止    private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;    // terminated terminated()方法执行结束

由如上可知：

ctl是一个AtomicInteger类型的原子对象。ctl记录了"线程池中的任务数量"和"线程池状态"2个信息。ctl共包括32位。其中，高3位表示"线程池状态"，低29位表示"线程池中的任务数量"。

RUNNING    -- 对应的高3位值是111SHUTDOWN   -- 对应的高3位值是000STOP       -- 对应的高3位值是001TIDYING    -- 对应的高3位值是010TERMINATED -- 对应的高3位值是011

线程池各个状态之间的切换如下图所示：

线程池各个状态间的转换的详细解释如下所示。

　　1> RUNNING(111) -> SHUTDOWN(000) : 调用了shutdown方法，线程池实现了finalize方法，在里面调用了shutdown方法，因此shutdown可能是在finalize中被隐式调用的

　　2> (RUNNING(111) or SHUTDOWN(000)) -> STOP(001) 调用了shutdownNow方法

　　3> SHUTDOWN(000) -> TIDYING(010) :　当队列和线程池均为空的时候

　　4> STOP(001) -> TIDYING(010) : 当线程池为空的时候

　　5> TIDYING(010) -> TERMINATED(011) : terminated()方法调用完毕

说明：扩号后的3位数字表示ctl的高3位二进制值，并不关注低29位二进制的值

还有一些对常量的操作方法，只说明部分，其他的有兴趣自己可以去查看，如下：

    private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }  // 得到线程运行状态    private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }   // 得到活动线程数    private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }        // 得到两者表示的值

来看一下ThreadPoolExecutor()中最主要的一个构造函数,如下：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,                          int maximumPoolSize,                          long keepAliveTime,                          TimeUnit unit,                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,                          ThreadFactory threadFactory,                          RejectedExecutionHandler handler) {    if (corePoolSize < 0 || maximumPoolSize <= 0 || maximumPoolSize < corePoolSize ||  keepAliveTime < 0)        throw new IllegalArgumentException();    if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)        throw new NullPointerException();    this.corePoolSize = corePoolSize;    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;    this.workQueue = workQueue;    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);    this.threadFactory = threadFactory;    this.handler = handler;}

调用Executors方法中的几个方法，如newCachedThreadPool()、newFixedThreadPool()时，都会间接调用上面的构造方法来初始化所有的线程池相关变量。

1、创建线程池并执行任务

有了Executor对象后，就可以调用execute()方法执行任务了。方法的源代码如下：

public void execute(Runnable command) {                if (command == null)  // 任务为null,则抛出异常            throw new NullPointerException();        int c = ctl.get();    // 取出记录着runState和workerCount 的 ctl的当前值                /*         *  通过workerCountOf方法从ctl所表示的int值中提取出低29位的值,也就是当前活动的线程数。如果当前         *  活动的线程数少于corePoolSize,则通过addWorker(command, true)新建一个线程,并将任务(command)         *  添加到该线程中         */        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {            /*         * addWorker()返回值表示：         * 1、true 表示需要检测当前运行的线程是否小于corePoolSize         * 2、false 表示需要检测当前运行的线程数量是否小于maxPoolSize         */            if (addWorker(command, true))                    return;       // 新线程创建成功,终止该方法的执行            c = ctl.get();    // 任务添加到线程失败,取出记录着runState和workerCount 的 ctl的当前值        }        /*         * 方法解释：         * isRunning(c) 当前线程池是否处于运行状态。源代码是通过判断c < SHUTDOWN 来确定返回值。由于RUNNING才会接收新任务，且只有这个值-1才小于SHUTDOWN         * workQueue.offer(command) 任务添加到缓冲队列         */        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {// 当前线程处于运行状态且成功添加到缓冲队列            int recheck = ctl.get();             /*             * 如果 线程池已经处于非运行状态,则从缓冲队列中移除任务然后采用线程池指定的策略拒绝任务             * 如果 线程池中任务数量为0,则通过addWorker(null, false)尝试新建一个线程,新建线程对应的任务为null             */            if (! isRunning(recheck) && remove(command))                    reject(command);                                       else if (workerCountOf(recheck) == 0)  // 得到活动线程数为0                        addWorker(null, false);        }        /*         * 当不满足以下两个条件时执行如下代码：         *  1. 当前线程池并不处于Running状态            *  2. 当前线程池处于Running状态,但是缓冲队列已经满了           */        else if (!addWorker(command, false))            reject(command);   // 采用线程池指定的策略拒绝任务  }

　当前活动的线程小于corePoolSize了，那么等于和大于corePoolSize怎么处理呢？

      1>  当前活动的线程数量 >= corePoolSize 的时候，都是优先添加到队列中，直到队列满了才会去创建新的线程，在这里第20行的if语句已经体现出来了。这里利用了&&的特性，只有当第一个条件会真时才会去判断第二个条件，第一个条件是isRunning()，判断线程池是否处于RUNNING状态，因为只有在这个状态下才会接受新任务，否则就拒绝，如果正处于RUNNING状态，那么就加入队列，如果加入失败可能就是队列已经满了，这时候直接执行第29行。 

　　2> 在execute()方法中，当 当前活动的线程数量 < corePoolSize 时，会执行addWorker()方法，关于addWorker()，它是用来直接新建线程用的，之所以叫addWorker而不是addThread是因为在线程池中，所有的线程都用一个Worker对象包装着，来看一下这个方法：

  /**    * 创建并执行新线程    * @param firstTack 用于指定新增的线程执行的第一个任务    *    * @param core      true表示在新增线程时会判断当前活动线程数是否少于corePoolSize，    *                  false表示新增线程前需要判断当前活动线程数是否少于maximumPoolSize    *    * @return 是否成功新增一个线程    */   private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {        retry:        for (;;) {            int c = ctl.get();         // 获取记录着runState和workCount的int变量的当前值            int rs = runStateOf(c);    // 获取当前线程池运行的状态            /*              这个条件代表着以下几个情景，就直接返回false说明线程创建失败：              1.rs > SHUTDOWN； 此时不再接收新任务，且所有的任务已经执行完毕              2.rs = SHUTDOWN； 此时不再接收新任务，但是会执行队列中的任务，在后买年的或语句中，第一个不成立，firstTask != null成立              3.rs = SHUTDOWN；此时不再接收新任务，fistTask == null,任务队列workQueue已经空了            */            if (rs >= SHUTDOWN &&                ! (rs == SHUTDOWN &&                   firstTask == null &&                   ! workQueue.isEmpty()))                return false;            for (;;) {                //获取当前活动的线程数                int wc = workerCountOf(c);                    //先判断当前活动的线程数是否大于最大值，如果超过了就直接返回false说明线程创建失败                //如果没有超过再根据core的值再进行以下判断                /*                    1.core为true，则判断当前活动的线程数是否大于corePoolSize                    2.core为false，则判断当前活动线程数是否大于maximumPoolSize                */                if (wc >= CAPACITY ||                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))                    return false;                //比较当前值是否和c相同，如果相同，则改为c+1，并且跳出大循环，直接执行Worker进行线程创建                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))                    break retry;                c = ctl.get();  // 获取ctl的当前值                if (runStateOf(c) != rs)    //检查下当前线程池的状态是否已经发生改变                    continue retry;    //如果已经改变了，则进行外层retry大循环，否则只进行内层的循环                // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop            }        }        //下面这里就是开始创建新的线程了        //Worker的也是Runnable的实现类        Worker w = new Worker(firstTask);        //因为不可以直接在Worker的构造方法中进行线程创建        //所以要把它的引用赋给t方便后面进行线程创建        Thread t = w.thread;            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;        mainLock.lock();        try {                      //再次取出ctl的当前值，用于进行状态的检查，防止线程池的已经状态改变了            int c = ctl.get();            int rs = runStateOf(c);            //将if语句中的条件转换为一个等价实现 ：t == null || (rs >= SHUTDOWN && (rs != SHUTDOWN || firstTask != null))            //有个t == null是因为如果使用的是默认的ThreadFactory的话，那么它的newThread()可能会返回null            /*              1. 如果t == null, 则减少一个线程数，如果线程池处于的状态 > SHUTDOWN,则尝试终止线程池              2. 如果t ！= null，且rs == SHUTDOWN，则不再接收新任务，若firstTask != null，则此时也是返回false，创建线程失败              3. 如果t ！= null， 且rs > SHUTDOWN,同样不再接受新任务，此时也是返回false，创建线程失败            */            if (t == null ||                (rs >= SHUTDOWN &&                 ! (rs == SHUTDOWN &&                    firstTask == null))) {                decrementWorkerCount();    //减少一个活动的当前线程数                tryTerminate();    //尝试终止线程池                return false;    //返回线程创建失败            }            workers.add(w);    //将创建的线程添加到workers容器中            int s = workers.size();    //获取当前线程活动的数量            if (s > largestPoolSize)    //判断当前线程活动的数量是否超过线程池最大的线程数量                largestPoolSize = s;    //当池中的工作线程创新高时，会将这个数记录到largestPoolSize字段中。然后就可以启动这个线程t了        } finally {            mainLock.unlock();        }        t.start();    //开启线程        //若start后，状态又变成了SHUTDOWN状态（如调用了shutdownNow方法）且新建的线程没有被中断过，        //就要中断该线程（shutdownNow方法要求中断正在执行的线程），        //shutdownNow方法本身也会去中断存储在workers中的所有线程        if (runStateOf(ctl.get()) == STOP && ! t.isInterrupted())            t.interrupt();        return true;    }

那么在创建线程的时候，线程执行的是什么的呢？

　　我们前面提到Worker继承的其实也是Runnable，它在创建线程的时候是以自身作为任务传进先创建的线程中的，这段比较简单，我就不一一注释了，只是给出源代码给大家看吧。

      Worker(Runnable firstTask) {            this.firstTask = firstTask;            //this指的是worker对象本身            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);        }

  　　它以自身的对象作为线程任务传进去，那么它的run方法又是怎样的呢？

 public void run() {            runWorker(this);        }

 　　竟然只有一句话调用runWorker()方法，这个可是重头戏，我们来看看，究竟运行的是什么。

/** * 执行Worker中的任务，它的执行流程是这样的： * 若存在第一个任务，则先执行第一个任务，否则，从队列中拿任务，不断的执行， * 直到getTask()返回null或执行任务出错（中断或任务本身抛出异常），就退出while循环。 * @param w woker */ final void runWorker(Worker w) {        Runnable task = w.firstTask;    //将当前Worker中的任务取出来交给task，并释放掉w.firstTask占用的内存        w.firstTask = null;        //用于判断线程是否由于异常终止，如果不是异常终止，在后面将会将该变量的值改为false        //该变量的值在processWorkerExit()会使用来判断线程是否由于异常终止        boolean completedAbruptly = true;            try {            //执行任务，直到getTask()返回的值为null，在此处就相当于复用了线程，让线程执行了多个任务            while (task != null || (task = getTask()) != null) {                    w.lock();                clearInterruptsForTaskRun();//对线程池状态进行一次判断，后面我们会讲解一下该方法                try {                    beforeExecute(w.thread, task);    //在任务执行前需要做的逻辑方法，该方面可以由用户进行重写自定义                    Throwable thrown = null;                    try {                        task.run();    //开始执行任务                    } catch (RuntimeException x) {                        thrown = x; throw x;                    } catch (Error x) {                        thrown = x; throw x;                    } catch (Throwable x) {                        thrown = x; throw new Error(x);                    } finally {                        afterExecute(task, thrown);    //在任务执行后需要做的逻辑方法，该方面可以由用户进行重写自定义                    }                } finally {                    task = null;                        w.completedTasks++;    //增加该线程完成的任务                    w.unlock();                }            }            completedAbruptly = false;    //线程不是异常终止        } finally {            processWorkerExit(w, completedAbruptly);    //结束该线程        }    }

下面就是线程在执行任务之前对线程池状态的一次判断：

  /**     * 对线程的结束做一些清理和数据同步     * @param w 封装线程的Worker     * @param completedAbruptly 表示该线程是否结束于异常     */    private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {        // 如果completedAbruptly值为true，则说明线程是结束于异常        //如果不是结束于异常，那么它降在runWorker方法的while循环中的getTask()方法中已经减一了        if (completedAbruptly)             decrementWorkerCount();    //此时将线程数量减一        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;        mainLock.lock();        try {            completedTaskCount += w.completedTasks;    //统计总共完成的任务数            workers.remove(w);    //将该线程数从workers容器中移除        } finally {            mainLock.unlock();        }        tryTerminate();    //尝试终止线程池        int c = ctl.get();        //接下来的这个if块要做的事儿了。当池的状态还是RUNNING，        //又要分两种情况，一种是异常结束，一种是正常结束。异常结束比较好弄，直接加个线程替换死掉的线程就好了,        //也就是最后的addWorker操作        if (runStateLessThan(c, STOP)) {    //如果当前运行状态为RUNNING，SHUTDOWN            if (!completedAbruptly) {    //如果线程不是结束于异常                int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;    //是否允许线程超时结束                if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())    //如果允许把那个且队列不为空                    min = 1;    //至少要保留一个线程来完成任务                //如果当前活动的线程数大于等于最小的值                // 1.不允许核心线程超时结束，则必须要使得活动线程数超过corePoolSize数才可以                // 2. 允许核心线程超时结束，但是队列中有任务，必须留至少一个线程                if (workerCountOf(c) >= min)                        return; // replacement not needed            }            //直接加个线程            addWorker(null, false);            }    }

前面我们的方法遇见过很多次tryTerminate()方法，到底他是怎样尝试结束线程池的呢？

    /**     * 执行该方法，根据线程池状态进行  判断是否结束线程池     */     final void tryTerminate() {        for (;;) {            int c = ctl.get();            if (isRunning(c) ||    //线程池正在运行中，自然不能结束线程池啦                runStateAtLeast(c, TIDYING) ||    //如果状态为TIDYING或TERMINATED，池中的活动线程数已经是0，自然也不需要做什么操作了                (runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty()))    //线程池出于SHUTDOWN状态，但是任务队列不为空，自然不能结束线程池啦                return;            if (workerCountOf(c) != 0) { // Eligible to terminate                /*                  调用这个方法的目的是将shutdown信号传播给其它线程。                  调用shutdown方法的时候会去中断所有空闲线程，如果这时候池中所有的线程都正在执行任务，                  那么就不会有线程被中断，调用shutdown方法只是设置了线程池的状态为SHUTDOWN，                  在取任务(getTask,后面会细说)的时候，假如很多线程都发现队列里还有任务（没有使用锁，存在竞态条件），                  然后都去调用take，如果任务数小于池中的线程数，那么必然有方法调用take后会一直等待（shutdown的时候这些线程正在执行任务，                  所以没能调用它的interrupt，其中断状态没有被设置），那么在没有任务且线程池的状态为SHUTDWON的时候，                  这些等待中的空闲线程就需要被终止iinterruptIdleWorkers(ONLY_ONE)回去中断一个线程，让其从take中退出，                  然后这个线程也进入同样的逻辑，去终止一个其它空闲线程，直到池中的活动线程数为0。                */                interruptIdleWorkers(ONLY_ONE);                return;            }            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;            mainLock.lock();            try {                /*                  当状态为SHUTDOWN，且活动线程数为0的时候，就可以进入TIDYING状态了，                  进入TIDYING状态就可以执行方法terminated()，                  该方法执行结束就进入了TERMINATED状态（参考前文中各状态的含义以及可能的状态转变）                */                if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {                    try {                        terminated();    //执行该方法，结束线程池                    } finally {                        ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));                        /*                          当线程池shutdown后，外部可能还有很多线程在等待线程池真正结束，                          即调用了awaitTermination方法，该方法中，外部线程就是在termination上await的，                          所以，线程池关闭之前要唤醒这些等待的线程，告诉它们线程池关闭结束了。                        */                        termination.signalAll();                    }                    return;                }            } finally {                mainLock.unlock();            }            // else retry on failed CAS        }    }

2、关闭线程池

关闭时使用shutdown()方法，源码如下：

  public void shutdown() {        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;        mainLock.lock();        try {            checkShutdownAccess();    // 检查终止线程池的线程是否有权限。            advanceRunState(SHUTDOWN);// 设置线程池的状态为关闭状态。            interruptIdleWorkers();   // 中断线程池中空闲的线程            onShutdown();             // 钩子函数，在ThreadPoolExecutor中没有任何动作        } finally {            mainLock.unlock();        }        tryTerminate();               // 尝试终止线程池    }