小豹子帶你看源碼：Java 線程池（二）實例化

承上啓下：上一篇文章小豹子講了我爲何想要研究線程池的代碼，以及我計劃要怎樣閱讀代碼。這篇文章我主要閱讀了線程池實例化相關的代碼，並提出了本身的疑問。

3 千里之行，始於實例化

3.1 先建立一個線程池玩玩

咱們首先看構造器的聲明，ThreadPoolExecutor 有四個重載構造器，其中三個分別指定了不一樣的缺省參數值，咱們直接看參數最全的構造器：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) 複製代碼

參數有點多，咱們有點懵，但並非無從下手。咱們去看代碼上方的 JavaDoc：

• corePoolSize：要保留在池中的線程數。即使線程空閒，不小於該參數的線程也將被保留。除非設置了 allowCoreThreadTimeOut
• maximumPoolSize：池中容許的最大線程數
• keepAliveTime：當池中線程數大於核心池數量（corePoolSize）時，大於核心池數量部分的線程空閒持續 keepAliveTime 時間後，將被終止
• unit：keepAliveTime 參數的時間單位
• workQueue：在任務被執行以前用於保存任務的隊列。這個隊列只包含由 execute 方法提交的 Runnable 任務
• threadFactory：executor 建立新線程時使用的線程工廠
• handler：用於處理因爲超過線程上限或隊列上限而產生的拒絕服務異常

那麼咱們根據文檔來建立一個線程池：

@Test
public void newInstanceTest() {
    ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 60, TimeUnit.SECONDS, 
        new LinkedBlockingQueue<Runnable>(), 
        new ThreadFactory() {
            @Override
            public Thread newThread(Runnable r) {
                return new Thread();
            }
        }, new RejectedExecutionHandler() {
            @Override
            public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
                System.out.println("拒絕服務");
        }
    });
}
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這裏咱們建立了一個核心池數量爲 5，最大線程數爲 10，線程保持時間爲 60 秒的線程池。

3.2 初始化時，線程池作了什麼？

咱們跟蹤到代碼中，看實例化的過程當中，構造器爲咱們作了什麼：

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.acc = System.getSecurityManager() == null ?
            null :
            AccessController.getContext();
    this.corePoolSize = corePoolSize;
    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
    this.workQueue = workQueue;
    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
    this.threadFactory = threadFactory;
    this.handler = handler;
}
複製代碼

這裏很容易理解，前面進行了輸入參數的檢查，this.acc 是訪問控制器上下文，這裏咱們不深刻研究它。惟一值得一提的就是 unit.toNanos(keepAliveTime)，這是將參數中的 keepAliveTime 轉換成納秒，彷佛也不難理解，但我有一個疑問：爲何要抽象時間單位？抽象時間段很差麼？好比我設計一個 Period 類表示一段時間，裏面有幾個靜態方法用於實例化，好比 Period.fromSeconds(long n) 表示 n 秒的一段時間，而後可使用 Period#toNanos() 這類的方法將該段時間傳化爲納秒。這樣能夠是參數更簡潔，表意更明確。不知兩種設計方案的優缺，還望各位指點。

咱們繼續看 ThreadPoolExecutor 的初始化：

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;

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;
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又是一堆天書，但彷佛 RUNNING、SHUTDOWN 等是表示某種狀態的常量，至於它們的賦值爲何這麼特殊，其餘變（常）量都是幹嗎的？老套路，看文檔。

文檔告訴咱們：ctl 是表示線程池狀態的原子整形，它包含兩部分：工做線程數、運行狀態。爲了將兩個變量用一個原子整形表示，咱們限制工做線程數最多隻能有 (2^29)-1（大概 5 億）個，而空餘的高三位用來存儲運行狀態。

運行狀態可能有這些值：

• RUNNING：容許提交新任務，處理隊列中的任務
• SHUTDOWN：不容許提交新任務，但處理隊列中的任務
• STOP：不容許提交新任務，不處理隊列中的任務，打斷執行中的任務
• TIDYING：全部任務已經終止，工做線程數爲零，線程過渡到 TIDYING時將調用 terminated()回調方法
• TERMINATED：terminated() 方法完成後

這些值之間的順序很重要，運行狀態的值隨時間單調遞增，但在一個生命週期內不須要經歷過全部的狀態。

狀態的轉換：

• RUNNING -> SHUTDOWN：調用 shutdown() 觸發，或者隱含在 finalize() 中
• (RUNNING / SHUTDOWN) -> STOP：調用 shutdownNow() 觸發
• SHUTDOWN -> TIDYING：當隊列和池均爲空時觸發
• STOP -> TIDYING：當池爲空時觸發
• TIDYING -> TERMINATED：terminated() 執行結束以後

看過文檔以後，咱們再回頭看這幾個常量的賦值：首先 COUNT_BITS 是 Integer 的長度減 3，其餘幾個狀態量分別是 -一、0、1，2，3 向高位移動 COUNT_BITS 位的結果，這也就對應着文檔所寫，用一個整形的高三位來存儲線程池的狀態。CAPACITY 的值是 1 向高位移動 COUNT_BITS 位再減一，字面意思是容量，這不難理解，COUNT_BITS 就是表明線程池所能容納的最大線程數，而值得一提的是，這個值在二進制層面上具備另外一個意義：CAPACITY 的二進制值高三位爲 0，其餘位爲 1。具體用途，咱們後面細說。

如今只剩 ctl 咱們不清楚了，首先從文檔中咱們能夠獲知 ctl 是包含了運行狀態與線程數量的一個整形原子變量，那麼 ctlOf(RUNNING, 0) 是什麼意思呢？咱們來看 ThreadPoolExecutor 中的靜態方法：

private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

private static boolean runStateLessThan(int c, int s) {
    return c < s;
}

private static boolean runStateAtLeast(int c, int s) {
    return c >= s;
}

private static boolean isRunning(int c) {
    return c < SHUTDOWN;
}
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這裏小豹子帶你們回憶一下位運算：
& 是按位與運算符，輸入均爲 1 輸出爲 1，其餘爲 0；
| 是按位或運算符，輸入均爲 0 輸出爲 0，其餘爲 1；
~ 是按位非運算符，輸入爲 0 輸出爲 1，輸入爲 1 輸出爲 0；

咱們看 ctlOf(int rs, int wc)，其中 rs 指運行狀態（runState），wc 值線程數（workerCount）。rs 值的特色是高三位表示運行狀態，而其餘低位均爲 0，wc 值的特色是高三位爲 0（由於不大於 CAPACITY 嘛），低位表示線程數。那麼對兩個值進行按位或運算，正好就將兩個值的有效位合併到一個整形變量中。咱們再回頭看 ctl 變量的初始化 new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0))。這回應該就清楚了，ctlOf(RUNNING, 0) 表示運行狀態是 RUNNING，線程數爲 0 的線程池狀態。

那麼 runStateOf 與 workerCountOf 就沒必要多說，是從 ctl 中剝離出運行狀態值和線程數，在這裏 CAPACITY 的做用就體現出來，它表示一種標誌位，由於它二進制值的特性（前文提到）使得另外一個值與它進行位與（或非與）運算時能夠獲得值的低位（或高位）。接下來我着重解釋一下 isRunning(int c)，首先咱們要已知兩個事實：

1. 運行狀態值之間的順序很重要，運行狀態的值隨時間單調遞增，RUNNING 是最小的，SHUTDOWN 次之。
2. 運行狀態儲存在 ctl 變量的高三位。

那麼判斷當前線程池的狀態是否爲 RUNNING，有沒有必要將 ctl 中的狀態值提取出來，再與 RUNNING 常量進行對比呢？沒有必要，由於狀態值佔高位，只要狀態值小於 SHUTDOWN，ctl 就必然小於 SHUTDOWN，而小於 SHUTDOWN 的狀態只有 RUNNING，所以只要 ctl 值小於 SHUTDOWN，它就必定是 RUNNING 狀態。其餘函數（runStateLessThan、runStateAtLeast）同理，直接對比就好。

3.3 疑問

看到 ThreadPoolExecutor 中用一個原子變量存儲兩種狀態的設計思想，我心中產生一個疑問：爲何要這樣作？爲了節省內存麼？確定不是，線程池的主要應用場景應該是服務器，而用時間換空間（還只換了這麼點空間）是很是不值得的。那麼我惟一能想到的解釋是，有利於提升併發性能。

我記得我在看《高性能 MySQL》的時候，做者告訴我這樣一種思想：熱點分離。

書中描繪了這樣一個應用場景，一個相似微博的應用，後臺要統計總髮貼數。那麼每一次獲取數據都要 count(*) 這確定不現實。現實一點的作法是，在數據庫中維護一個表示總髮貼數的記錄，每一次用戶發帖，這個值就加 1。這種方案併發性能也不是很好。由於這個字段至少要加行鎖，每次用戶發帖，總髮貼數加 1 時都會引發鎖競爭。這至關於把用戶發帖行爲串行化了。

書中的解決方案是設計一張表，其中有 n 條記錄（好比說 100 條），每一次用戶發帖，在這 100 條記錄中選一條記錄（能夠是隨機選擇，也能夠根據時間取模）自加 1。而後每隔一段時間將表中的全部記錄加和賦值到第一條記錄中，刪除其餘記錄。這樣一來，原先是 N 個線程爭搶一把鎖，如今是 N 個線程爭搶一百把鎖。併發性能固然獲得了增長。這就是所謂的熱點分離。

但 ThreadPoolExecutor 中 ctl 的設計彷佛反其道而行之。把兩個須要併發訪問的值「捏」到了一塊兒。除非運行狀態和線程數每每同時變化，不然這樣作，我理解不了它是怎樣提升併發性能的。我決定暫時擱置這個問題，在後續對源碼的學習過程當中，我相信我能獲得答案。

系列文章

• Java 線程池（一）緣起 & 計劃
• Java 線程池（二）實例化
• Java 線程池（三）提交任務
• 未完待續……

小豹子仍是一個大三的學生，小豹子但願你能「批判性的」閱讀本文，對本文內容中不正確、不穩當之處進行嚴厲的批評，小豹子感激涕零。