Java线程池ThreadPoolExecutor源码深入分析
作者：niuyongzhi
ThreadPoolExecutor作为java.util.concurrent包对外提供基础实现，以内部线程池的形式对外提供管理任务执行，线程调度，线程池管理等等服务
1.线程池Executors的简单使用
1)创建一个线程的线程池。
Executors.newSingleThreadExecutor();
//创建的源码
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
2)创建固定大小的线程池，参数为int，是线程池核心线程和最大线程的数量
Executors.newFixedThreadPool(2);
//创建的源码
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
3)创建一个线程数不设限的线程池，
//创建的源码，核心线程是0，最大线程是Integer.MAX_VALUE
Executors.newCachedThreadPool()；
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}使用方法，使用同步代码块，保证线程池实例是唯一的。
使用方法：
private static ExecutorService sSingleThreadExecutor = null; // lazy, guarded by class
public static ExecutorService singleThreadExecutor() {
//当前的类对象为锁
synchronized (ThreadPool.class) {
if (sSingleThreadExecutor == null) {
sSingleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
}
return sSingleThreadExecutor;
}
}通过以上三种方式，可以创建一个简单的线程池。
但是有弊端：
newSingleThreadExecutor和newFixedThreadPool，运行的请求队列是长度为Integer.MAX_VALUE,可能会堆积大量的请求，从而造成oom。
而newCachedThreadPool允许的线程数量为最大值Integer.MAX_VALUE，也会造成oom。
2.通过ThreadPoolExecutor创建线程池
下面是OkHttp中Dispatcher.java线程池：
ExecutorService executorService;
public synchronized ExecutorService executorService() {
if (executorService == null) {
executorService = new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>(), Util.threadFactory("OkHttp Dispatcher", false));
}
return executorService;
}OkHttp中ConnectionPool.java
private static final Executor executor = new ThreadPoolExecutor(0 ,
Integer.MAX_VALUE , 60L , TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>(), Util.threadFactory("OkHttp ConnectionPool", true));使用方式：
//call 实现 Runnable 接口。调用execute方法即可将入线程池，执行run方法中的代码。 executorService().execute(call);
3.ThreadPoolExecutor各个参数的含义
corePoolSize：核心线程数，即使是空闲线程也不会销毁。这样做的目的是为了降低执行任务时创建线程的时间和性能开销。
maximumPoolSize：最大线程数。当核心线程被用完时，会创建新的线程来执行任务，但是创建的数量不能超过这个最大值。
keepAliveTime：线程的存活时间。除核心线程外，其他线程一旦执行完任务，就会处于空闲状态，超过这个时间就会被销毁。
unit：keepAliveTime设置的时间单位。
workQueue：任务的阻塞队列。线程数量有限，当任务过多来不及执行时，就会加入到这个阻塞队列中，等到有空闲进程，
就会从这个队列取出任务去执行。队列都是先进先出的FIFO。
threadFactory：新线程产生的方式。
handler：拒绝策略，超过任务队列设置的最大值时。再有新的任务进来，就会执行这个拒绝策略。
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
}
线程池的阻塞队列：
ArrayBlockingQueue：
是基于数组的任务队列。里面用一个数组来存放任务。当我们new的时候，需要指定数组大小。
还有两个int变量putIndex和takeIndex用来表示队列的头部和尾部在数组中的位置。
LinkedBlockingQueue:
是基于链表的，内部用一个单向链表来存放任务。创建时可以指定大小，如果不指定则是Integer.MAX_VALUE
PriorityBlockingQueue:
基于优先级的阻塞队列。
SynchronousQueue：
一种无缓冲的等待队列。有新任务进来直接交给线程执行。
OkHttp中使用的就是这种队列，他的最大线程数为Integer.MAX_VALUE。保证有任务进来就能马上执行。
RejectedExecutionHandler拒绝策略，这是一个接口。不同的实现执行不同的策略。
public interface RejectedExecutionHandler {
void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
}
AbortPolicy:拒绝行为直接抛出异常 RejectedExecutionException
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
" rejected from " +
e.toString());
}
DiscardPolicy:保持静默，什么也不做。
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
}
DiscardOldestPolicy：丢弃任务队里中最老的任务，尝试将新任务加入队列
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
if (!e.isShutdown()) {
e.getQueue().poll();
e.execute(r);
}
}
CallerRunsPolicy：直接由提交任务这执行这个任务。
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
if (!e.isShutdown()) {
r.run();
}
}
如果在创建线程池的时候，不知道具体的拒绝策略。那么ThreadPoolExecutor默认的策略是AbortPolicy。
private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy();线程池可以执行两种类型的任务：Runable和Callable
class MyRunable implements Runnable{
@Override
public void run() {
}
}
class MyCallable implements Callable{
@Override
public Object call() throws Exception {
return null;
}
}
Runnable 没有返回值，返回的是void，不允许抛出异常。
Callable 有返回值，返回的是Object，允许抛出异常。4.线程池的源码分析
线程池的状态：
//运行状态，可以接受新任务，并且处理排队任务。 private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS; //关闭状态，不再接受新任务，不过仍然会处理排队任务。 private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS; //停止状态，不再接受新任务，也不处理排队任务，同时中断处理中的任务 private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS; //整理状态，当前所有任务终止，workerCount计数为0，线程切换为TIDYING状态，并且执行terminal()方法 private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS; //终止状态，说明terminal()方法执行完成。 private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
ctlof是得到新的ctl值。通过ctl可以计算线程池的状态和数量
runStateOf 计算当前线程池的状态。
workerCountOf计算线程池的数量。
// ctlOf计算ctl的新值，也就是线程池状态和线程池中线程数量。
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
//获取ctl的高三位，也就是线程池的状态。
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
//获取ctl的低29位，也就是线程池中的线程数。
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
其中runStateOf(int c)和workerCountOf(int c)的参数c就是通过ctlOf(int rs, int wc)获得的ctl值。向线程池中添加一个任务：executorService().execute(call);
然后看看源码中是如何执行的，是如何添加任务的。
ctl 用来表示线程池的状态和线程数量，
在ThreadPoolExcutor中使用32位二进制数来表示线程池的状态和线程中线程数量。
其中前3位表示线程池的状态，后29位表示线程池中的线程数。
public void execute(Runnable command) {
int c = ctl.get();
//如果工作线程数量小于核心线程数，
//提交的任务会通过addWorker(command, true)创建一个新的核心线程来执行， 这个参数传的是true，表示去新增核心线程。
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true)){
//添加成功则return
return;
}
//添加核心线程失败则重新获取线程池的状态和数量
c = ctl.get();
}
//进入到下面说明当前工作线程大于或等于核心线程。
//如果线程池处于运行状态，则加入队列
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
//如果入队成功，则重新获取线程池的状态
int recheck = ctl.get();
//如果线程池不处于运行状态，则从队列中remove
if (!isRunning(recheck) && remove(command)){
//成功删除，则执行拒绝策略
reject(command);
}else if (workerCountOf(recheck) == 0){
//进入这个分支有两种情况1.线程池处于运行状态 2.线程从不处于运行状态，但是remove失败
则会判断workerCountOf如果工作线程为0，则会创建非核心线程去执行任务。
addWorker为null，和false。false表示非核心线程。null说明创建的线程去执行队列里的任务。
addWorker(null, false);
}
//进入到这个分支有两种情况1.线程池处于非运行状态2.运行状态但是入队失败了。
这时候创建非核心线程去执行任务
}else if (!addWorker(command, false)){
如果创建非核心线程失败了，则执行拒绝策略。
reject(command);
}
}通过以上源码分析，线程池的运行原理可以总结为一下几点：
1.通过execute方法提交任务时，运行线程小于corePoolSize时，则会创建新的核心线程来执行这个任务。
2.通过excute方法提交任务时，运行线程大于等于corePoolSize时，则会加入到队列中，等待线程调度执行。
3.通过excuete方法提交任务时，运行线程大于等于corePoolSize时，并且加入队列失败(队列满了)，新提交的任务将会通过创建新的线程执行。
4.通过excute方法提交任务时，运行线程大于maximumPoolSize时，队列也满了，则会执行拒绝策略。
5.当线程池中的线程执行完任务处于空闲状态时，则会尝试从任务队列中取头结点任务执行。
接下来看addWorker如何添加任务。
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 如果线程池处于非运行状态，则不会创建线程。
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty())){
return false;
}
//如果线程池处于运行状态，则直接走下面的创建添加逻辑。
for (;;) {
//获取工作线程数量
int wc = workerCountOf(c);
//wc >= CAPACITY 工作线程大于最大容量
// wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize) 如果工作线程大于了核心线程或最大线程，
//只要这两个条件有一个成立则return。
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)){
return false;
}
//创建线程数量+1，这里用到了CAS。关于CAS后面再写文章分析。
if (compareAndIncrementWorkerCount(c)){
break retry;
}
//如果CAS操作失败，线程数量没有加1，则重新获取线程的状态。
c = ctl.get(); // Re-read ctl
//判断当前状态和之前状态，如果不同，说明线程池状态发生了变化。重新跳到retry的外层循环。
//如果相同，则说明线程池没有变化，继续进行内层循环。
if (runStateOf(c) != rs){
continue retry;
}
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
//执行到这说明线程数量已经完成+1，接下来进行线程的创建。
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
//这个创建一个worker对象。在worker构造方法中，会利用ThreadPoolExecutor中传递过了的ThreadFactory创建一个Thread
//默认是通过Executors.defaultThreadFactory()，创建一个线程。
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
//拿到一个重入锁对象。
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
//拿到线程池的状态
int rs = runStateOf(ctl.get());
//如果线程池处于运行状态或者处于关闭状态并且firstTask == null
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
if (t.isAlive()) {
throw new IllegalThreadStateException();
}
//添加到work集合
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize){ //更新一下最大线程数
largestPoolSize = s;
}
//标志位，添加成功
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
if (workerAdded) {
//添加成功则启动线程
t.start();
//启动成功
workerStarted = true;
}
}
} finally {
//如果没有启动成功则从线程池中移除。
if (! workerStarted){
addWorkerFailed(w);
}
}
return workerStarted;
}关键代码看看 w = new Worker(firstTask);做了啥
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1);
//将传进来的任务赋值给成员变量
this.firstTask = firstTask;
//创建一个线程，并把Worker本身当做Runnable传进了Thread中去。
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
public interface ThreadFactory {
Thread newThread(Runnable r);
}注意newThread(this)。Worker把自己当做Runnable传到了线程中去。当调用t.start()方法时会调用Worker的run方法。
public void run() {
runWorker(this);
}
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
try {
//如果task不为null，则先执行当前任务
//如果task传进来是null则从队列中取任务，执行队列里的任务。
//getTask()就是从任务队列中提取在等待的队伍。
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
w.lock();
//(runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) 线程池处于STOP，TIDYING，TERMINATED状态
处于这些状态的线程池是无法执行任务的。
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted()){
//中断线程
wt.interrupt();
}
//执行到下面说明线程池处于RUNNING或SHUTDOWN状态
//由此也可以看出SHUTDOWN状态的线程池，是可以执行队列里的任务的，但是队列不在接收新的任务添加
try {
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
//执行任务的
task.run();
} 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);
}
} finally {
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}getTask()从任务队列中，提取任务。
private Runnable getTask() {
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
try {
//从任务队列中取出任务
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}通过以上源码分析，可以总结一下几点。
addWorker(Runnable firstTask, boolean core)
1.如果firstTask为null，则会创建线程去执行队列里的任务。
2.如果不为null，则会去执行当前任务，然后再执行队列里的任务。
3.core 如果为true，则会创建核心线程，如果为false，则会创建非核心线程。
4.addWorker 会创建线程，启动线程，执行任务。
在创建线程之前会判断线程池的状态、以及核心线程或最大线程数。
如果创建成功启动线程的start方法，然后调用worker的runWorker()方法。
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