线程池运行原理分析

要想分析透彻整个线程池运行的逻辑,是个庞杂的工程,牵扯到线程池生命周期管理,队列管理,拒绝策略,调配逻辑等等.这里只是从一个Runnable任务发布到线程池中以后,线程池内部的运行逻辑角度去尝试分析.

先贴出整理的线程池操作流程图 , 然后开始追源码:

线程数量控制策略

ThreadPoolExecutor是线程池的实现类,无论是自定义线程池,还是使用系统提供的线程池,都会使用到这个类.通过类的execute(Runnable command)方法来执行Runnable任务.
那么一旦将一个Runnable任务execute()以后,到底发生了什么? 直接看代码

/** * 将该Runnable任务加入线程池并在未来某个时刻执行 * 该任务可能执行在一个新的线程 或 一个已存在的线程池中的线程 * 如果该任务提交失败,可能是因为线程池已关闭,或者已达到线程池队列和线程数已满. * 该Runnable将交给RejectedExecutionHandler处理,抛出RejectedExecutionException */public void execute(Runnable command) {    if (command == null){        //如果没传入Runnable任务,则抛出空指针异常        throw new NullPointerException();    }    int c = ctl.get();    //当前线程数 小于 核心线程数    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {        //直接开启新的线程,并将Runnable传入作为第一个要执行的任务,成功返回true,否则返回false        if (addWorker(command, true)){            return;        }        c = ctl.get();    }    //c < SHUTDOWN代表线程池处于RUNNING状态 + 将Runnable添加到任务队列,如果添加成功返回true失败返回false    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {        int recheck = ctl.get();        //成功加入队列后,再次检查是否需要添加新线程(因为已存在的线程可能在上次检查后销毁了,或者线程池在进入本方法后关闭了)        if (! isRunning(recheck) && remove(command)){            //如果线程池处于非RUNNING状态 并且 将该Runnable从任务队列中移除成功,则拒绝执行此任务            //交给RejectedExecutionHandler调用rejectedExecution方法,拒绝执行此任务            reject(command);        }else if (workerCountOf(recheck) == 0){            //如果线程池线程数量为0,则创建一条新线程,去执行            addWorker(null, false);        }       }else if (!addWorker(command, false))        //如果线程池处于非RUNNING状态 或 将Runnable添加到队列失败(队列已满导致),则执行默认的拒绝策略        reject(command);}

整理流程如下:
1. 如果线程池中的线程数量少于corePoolSize(核心线程数量),那么会直接开启一个新的核心线程来执行任务,即使此时有空闲线程存在.
2. 如果线程池中线程数量大于等于corePoolSize(核心线程数量),那么任务会被插入到任务队列中排队,等待被执行.此时并不添加新的线程.
3. 如果在步骤2中由于任务队列已满导致无法将新任务进行排队,这个时候有两种情况:

• 线程数量 [未] 达到maximumPoolSize(线程池最大线程数) , 立刻启动一个非核心线程来执行任务.
• 线程数量 [已] 达到maximumPoolSize(线程池最大线程数) , 拒绝执行此任务.ThreadPoolExecutor会通过RejectedExecutionHandler,抛出RejectExecutionException异常.

以上就是一旦将一个Runnable任务execute()以后,执行的一系列逻辑,理解起来并不难,下面再对其中调用的一些方法做一些追查,就更方便理解其中的运行逻辑.

线程数量及线程池状态管理

我们发现在execute()方法中频繁的执行这句c = ctl.get();代码,那么这ctl是什么,get()方法获取到的是什么,获取到的c又用来做什么?

上源码:

//创建AtomicInteger对象private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3; //32-3 = 29//最大线程容量private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1; //将1的二进制向右位移29位,再减1//运行状态保存在int值的高3位 (所有数值左移29位)private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;//运行状态private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }//线程数量private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }//是否正在运行private static boolean isRunning(int c) { return c < SHUTDOWN;}

以上代码中的信息整理如下:

• clt是一个AtomicInteger对象,(提供原子操作进行Integer的使用,适用于高并发场景.该AtomicInteger的value可以自动刷新,确保在高并发环境下的唯一性.),而ctl.get()获取的就是该value值.
• 线程池用一个AtomicInteger来保存 [线程数量] 和 [线程池状态] ,一个int数值一共有32位,高3位用于保存运行状态,低29位用于保存线程数量
• 系统默认的线程容量就是(2^29)-1 , 大约5亿条线程-_-!

所以由此得知 :
频繁的调用c = ctl.get();是为了获取该AtomicInteger的最新值,进而通过位运算获取线程池的最新运行状态,线程数量.

[线程池状态]:

• RUNNING: 接收新任务,并执行队列中的任务
• SHUTDOWN: 不接收新任务,但是执行队列中的任务
• STOP: 不接收新任务,不执行队列中的任务,中断正在执行中的任务
• TIDYING: 所有的任务都已结束,线程数量为0,处于该状态的线程池即将调用terminated()方法
• TERMINATED: terminated()方法执行完成

新线程的创建

在execute()方法中获知通过addWorker()方法来添加新线程,那么到底是如何添加和管理的?
开始追源码,一看究竟.

/** * 往线程池中添加Worker对象 * @param  firstTask 线程中第一个要执行的任务  * @param  core      是否为核心线程 * @return           添加是否成功 */ private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {    //这里有两层[死循环],外循环:不停的判断线程池的状态    retry: for (;;) {            int c = ctl.get();            int rs = runStateOf(c);            //一系列判断条件:线程池关闭,Runnable为空,队列为空,则直接return false,代表Runnable添加失败            if (rs >= SHUTDOWN && ! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && !workQueue.isEmpty())){                return false;            }            //内循环:不停的检查线程容量                    for (;;) {                int wc = workerCountOf(c);                //超过线程数限制,则return false                if (wc >= CAPACITY || wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)){                    return false;                }                //★ 添加线程成功,则直接跳出两层循环,继续往下执行.                //注意:这里只是把线程数成功添加到了AtomicInteger记录的线程池数量中,真正的Runnable添加,在下面的代码中进行                if (compareAndIncrementWorkerCount(c)){                    break retry;                }                //再次判断线程池最新状态,如果状态改变了(内循环和外循环记录的状态不符),则重新开始外层死循环                c = ctl.get();  // Re-read ctl                if (runStateOf(c) != rs){                    continue retry;                }            }        }    //结束循环之后,开始真正的创建线程.    boolean workerStarted = false;    boolean workerAdded = false;    Worker w = null;    try {        //创建一个Worker对象,并将Runnable当做参数传入        w = new Worker(firstTask);        //从worker对象中取出线程        final Thread t = w.thread;        if (t != null) {            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;            //拿到锁            mainLock.lock();            try {                //再次检查线程池最新状态                int rs = runStateOf(ctl.get());                if (rs < SHUTDOWN || (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {                    //检查准备执行Runnable的Thread的状态,如果该Thread已处于启动状态,则抛出状态异常(因为目前还没启动呢)                    if (t.isAlive()){                        throw new IllegalThreadStateException();                    }                     //将新创建的worker,添加到worker集合                    workers.add(w);                    ...                    workerAdded = true;                }            } finally {                //释放锁                mainLock.unlock();            }            if (workerAdded) {                //★Thread开始启动                t.start();                workerStarted = true;            }        }    } finally {        //添加worker失败        if (! workerStarted){            addWorkerFailed(w);        }    }    return workerStarted;}

总结:
1. 先判断线程池状态和线程池中线程的容量,如果满足线程添加的条件,则先把AtomicInteger中记录的线程数量+1.然后再进行线程添加的工作.
2. 创建worker对象,并将Runnable作为参数传递进去,并从worker中取出Thread对象,进行一系列条件判断后.开启Thread的start()方法,线程开始运行.所以worker对象中必然包含了一个Thread和一个要被执行的Runnable.

那么接下来继续追源码,印证下第二点的推断,看看Worker到底干了什么.

Worker类

//ThreadPoolExecutor的内部finial类private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable{    //当前worker要执行任务所用的线程(如果创建失败,则可能是null)    final Thread thread;    //第一个要执行的任务(可能是null)    Runnable firstTask;    //当前线程执行完的任务总数    volatile long completedTasks;    //通过构造传入Runnable任务    Worker(Runnable firstTask) {        ...        this.firstTask = firstTask;        //通过ThreadFactory()创建新线程        this.thread = getThreadFactory().newThread(this);    }    //调用外部类runWorker()方法    public void run() {        runWorker(this);    }    ...}

worker类中的内部实现也印证了我们的推断:

• 每个worker,都是一条线程,同时里面包含了一个firstTask,即初始化时要被首先执行的任务.
• 最终执行任务的,是runWorker()方法

线程的复用

继续追runWorker()方法的源码

//ThreadPoolExecutor的final类,该方法由内部类Worker的run()方法调用final void runWorker(Worker w) {    Thread wt = Thread.currentThread();    //取出Worker对象中的Runnable任务    Runnable task = w.firstTask;    boolean completedAbruptly = true;    ...    try {        //★注意这个while循环,在这里实现了 [线程复用]        while (task != null || (task = getTask()) != null) {            //上锁            w.lock();            //检查Thread状态的代码            ...            try {                ...                try {                    //执行Worker中的Runnable任务                    task.run();                } catch (...) {                   ...catch各种异常                }             } finally {                //置空任务(这样下次循环开始时,task依然为null,需要再通过getTask()取) + 记录该Worker完成任务数量 + 解锁                task = null;                w.completedTasks++;                w.unlock();            }        }        //该线程已经从队列中取不到任务了,改变标记         completedAbruptly = false;    } finally {        //线程移除        processWorkerExit(w, completedAbruptly);    }}

通过上面的源码,发现通过一个while循环,不断的getTask()取任务出来执行,以这种方式实现了线程的复用.

线程复用逻辑整理如下:
1. 如果task不为空,则开始执行task
2. 如果task为空,则通过getTask()再去取任务,并赋值给task,如果取到的Runnable不为空,则执行该任务
3. 执行完毕后,通过while循环继续getTask()取任务
4. 如果getTask()取到的任务依然是空,那么整个runWorker()方法执行完毕

上面只是从getTask()方法名和其返回值来猜测此方法的作用,下面就继续追源码,来证实和研究getTask()到底是怎么取任务的,从哪取,怎么取.

getTask()

private Runnable getTask() {    ...    for (;;) {        ...        // 如果线程池已关闭 或 任务队列为空,则AtomicInteger中记录的线程数量-1,并return null,结束本方法        if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {            decrementWorkerCount();            return null;        }        //获取当前线程池中的总线程数        int wc = workerCountOf(c);        //allowCoreThreadTimeOut参数是使用者自行设置的(默认false),用来设置:是否允许核心线程有超时策略        //条件1:核心线程超时 条件2:当前线程数 > 核心线程数,满足任何一个条件则timed标记为true         boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;        //超过最大线程数 或 超时 或 任务队列为空...  线程数量-1 + return null        ...        try {            //根据timed标记,使用不同的方式(限时等待 or 阻塞)从BlockingQueue<Runnable> workQueue 队列中取任务            Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take();            if (r != null){                //如果取到了,就将Runnable返回                return r;            }            //如果没取到,则重新for循环            ...        }    }}

将以上源码中的信息整理如下:

• 线程池使用BlockingQueue来管理整个线程池中的Runnable任务,变量workQueue存放的都是待执行的任务
• BlockingQueue是个阻塞队列，BlockingQueue.take()方法如果得到的是空，则进入等待状态,直到BlockingQueue有新的对象被加入时,才可以正常将Runnable取出并返回,线程开始正常运转,正常执行Runnable任务。

/** * 先进先出的阻塞队列 */public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {    /**     * 检索并移除队列的顶部元素,如果该元素不可用则等待,直至元素可用     * Retrieves and removes the head of this queue, waiting if necessary     * until an element becomes available.     *     * @return the head of this queue     * @throws InterruptedException if interrupted while waiting     */    E take()    ...}

让我们整理一下上面几段源码的逻辑顺序:
1. execute()方法执行之后,进行一系列的逻辑判断来控制线程池中的线程数量,并通过addWorker()方法创建新线程
2. 一旦Worker里的Thread开始start()之后,执行的其实是Worker里的run()方法,run()方法调用runWorker(Worker w)方法.
3. 在runWorker()方法里面通过getTask()方法不停的取workQueue队列中的任务来执行,如果取到了就执行,如果没取到就等待.

结论:

• 一旦一个线程开启之后,会一直执行下去,直至任务队列中的任务执行完毕,达成了线程的复用
• 以Runnable队列为目标的worker虽然是串行操作,但是由于可以通过addWorker()添加多个worker,并且多个worker取的是同一个BlockingQueue中的Runnable,所以就实现了并行处理.

线程的移除

在runWorker()方法中有如下代码:

final void runWorker(Worker w) {    boolean completedAbruptly = true;    ...    try {        while (getTask()...) {            ...            处理任务        }        //该线程已经从队列中取不到任务了,改变标记,该标记表示:该线程是否因用户因素导致的异常而终止         completedAbruptly = false;    } finally {        //线程移除        processWorkerExit(w, completedAbruptly);    }}

processWorkerExit这里用来将worker从worker集合中移除,步骤如下:
1. 先移除传入的Worker(线程)
2. 判断线程池里的最少线程数,如果最少线程数为0条,但是队列里依然有任务未执行完毕.那么必须确保线程池中至少有1条线程.(将最小线程数置为1)
3. 如果当前线程数 > 最小线程数,本方法结束,不再往下执行
4. 否则添加一条新线程,来替代当前线程,继续去执行队列中的任务.

/** * @param w the worker 线程 * @param completedAbruptly 该线程是否因用户因素导致的异常而终止 */private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {    ...    try {        //记录该线程完成任务的总数        completedTaskCount += w.completedTasks;        //从worker集合中移除本worker(线程)        workers.remove(w);    }    ...    //如果在runWoker()中正常执行任务完毕,这里completedAbruptly传入的就是false    if (!completedAbruptly) {        int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;        //如果线程池里最少线程数为0,但是此时任务队列里依然还有任务        if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty()){            //那么必须保留一条线程,所以将最小值设置为1            min = 1;        }        //如果当前线程数>= 最小线程数,则直接return        if (workerCountOf(c) >= min){            return;         }    }    //否则添加一条新线程,来替代当前线程,继续去执行队列中的任务.    addWorker(null, false);}

这次源码分析就先到这里,一路从execute()开始,走到线程移除.其实线程池里面涉及到的问题很多,以后有时间再慢慢研究.

参考链接:
从使用到原理学习Java线程池