重走JAVA之路（五）：面試又被問線程池原理？教你如何反擊

前言

在阿里巴巴Java開發手冊中有這麼兩段話，以下圖所示

能夠看到提到的兩點，第一要求不能顯示的建立線程，也就是new Thread的這種形式，須要使用線程池對線程進行管理，第二不容許使用官方提供的四種線程池，而是須要經過自行建立的方式去建立線程池，更加理解線程池的容許規則

本文就基於JDK1.8的代碼，對線程池源碼進行解析，帶你們可以更好的理解線程池的概念以及其運行規則，若有錯誤，請你們指出

1、ThreadPoolExecutor源碼

1.構造函數

先從構造函數看起：

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

• corePoolSize：核心線程的數量，默認不會被回收掉，可是若是設置了allowCoreTimeOut爲true，那麼當核心線程閒置時，也會被回收。
• maximumPoolSize ：最大線程數量，線程池能容納的最大容量，上限被CAPACITY限制（2^29-1）（後續代碼會看到）
• keepAliveTime：閒置線程被回收的時間限制，也就是閒置線程的存活時間
• unit ：keepAliveTime的單位
• workQueue ：用於存聽任務的隊列
• threadFactory ：建立線程的工廠類
• handler 當任務執行失敗時，使用handler通知調用者，表明拒絕的策略

有的朋友可能還不是很清晰，舉個例子，一個公司，核心線程就是表明公司的內部核心員工，最大線程數量就是員工的最大數量，可能包含非內部員工，由於有一些試點或者簡單的項目，須要一些外協人員來作，也就是非核心線程，那麼當這些項目作完了或者失敗了，公司爲了節約用人成本，就遣散非核心員工，也就是閒置線程的存活時間。假如核心員工每一個人都很忙，可是需求又一波接一波，那就職務排期，也就是任務隊列，當任務隊列都滿了時候，還要來需求？對不起，不接受，直接拒絕，這也就是handler對應的拒絕策略了，能夠例子不是很合適，可是主要幫助你們理解下大概的意思。

2.線程池狀態

打開源碼類，能夠看到以下幾個變量

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;

    // runState is stored in the high-order bits
    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;

    // Packing and unpacking ctl
    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; }
複製代碼

AtomicInteger是一個原子操做類，保證線程安全，採用低29位表示線程的最大數量，高3位表示5種線程池狀態，維護兩個參數，workCount和runState。workCount表示有效的線程數量，runState表示線程池的運行狀態。

• RUNNING：運行狀態，能夠接受新任務並處理
• SHUTDOWN：關閉狀態，不會接受新的任務了，可是會處理隊列中還存在的任務
• STOP：中止狀態，不會接受新的任務，也不處理隊列任務，直接中斷
• TIDYING：表示全部任務已經終止了
• TERMINATED：表示terminated()方法已經執行完成

引用一張圖片幫助你們理解5個狀態

3.執行流程

execute（）

public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        /* * Proceed in 3 steps: * * 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to * start a new thread with the given command as its first * task. The call to addWorker atomically checks runState and * workerCount, and so prevents false alarms that would add * threads when it shouldn't, by returning false. * * 2. If a task can be successfully queued, then we still need * to double-check whether we should have added a thread * (because existing ones died since last checking) or that * the pool shut down since entry into this method. So we * recheck state and if necessary roll back the enqueuing if * stopped, or start a new thread if there are none. * * 3. If we cannot queue task, then we try to add a new * thread. If it fails, we know we are shut down or saturated * and so reject the task. */
        int c = ctl.get();
    	//若是當前線程數量小於核心線程數量，執行addWorker建立新線程執行command任務
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
    	//若是當前是運行狀態，將任務放入阻塞隊列，double-check線程池狀態
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            int recheck = ctl.get();
            //若是再次check，發現線程池狀態不是運行狀態了，移除剛纔添加進來的任務，而且拒絕改任務
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
            //處於運行狀態，可是沒有線程，建立線程
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
    	//往線程池中建立新的線程失敗，則reject任務
        else if (!addWorker(command, false))
            reject(command);
    }
複製代碼

這裏大概總結下execute方法的執行流程，其實你們看源碼方法註釋是同樣很好的學習方法

• 首先判斷當前線程數量是否是比核心線程數量少，若是是，直接建立核心線程執行任務，不然走第二步
• 若是當前線程數量等於核心線程數量了，那麼就職務排期，將任務放進任務隊列，放入成功後，再次check線程池狀態，這裏說明一下，在多線程的環境下，ctl.get()這個方法並非一個原子操做，若是加入隊列後，線程池狀態改變了，不是RUNNING狀態，那麼這個任務將永遠不會被執行，因此須要再次check，若是不是RUNNING狀態，移除任務並拒絕任務，若是是RUNNING狀態而且當前沒有線程，則直接建立線程
• 走到這一步前提就是第二步中的添加隊列失敗了，也就是任務隊列滿了，那麼這個時候就考慮到建立非核心線程去執行任務，若是添加非核心線程也失敗，那就直接拒絕

這裏注意一點，當核心線程滿的時候，並不會去直接建立非核心線程去執行任務，而是先放進任務隊列，能夠理解爲需求任務首先是須要讓內部核心員工去完成的，任務隊列的優先級是高於非核心員工的，addWorker()，這裏的傳進去的boolean值，就表明着建立核心線程或者非核心線程

reject()

final void reject(Runnable command) {
        handler.rejectedExecution(command, this);
}
複製代碼

拒絕任務很簡單，reject方法會調用handler的rejectedExecution(command,this)方法，handler是RejectedExecutionHandler接口，默認實現是AbortPolicy，下面是AbortPolicy的實現：

public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
        public AbortPolicy() { }
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
                                                 " rejected from " +
                                                 e.toString());
        }
    }
複製代碼

能夠看到默認策略是直接拋出異常的，這只是默認使用的策略，能夠經過實現接口實現本身的邏輯。

addWorker()

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
        retry:
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);
            // 這裏return false的狀況有如下幾種
           	//1.當前狀態是stop及以上 2.當前是SHUTDOWN狀態，可是firstTask不爲空
            //3.當前是SHUTDOWN狀態，可是隊列中爲空
            //從第一節咱們知道，SHUTDOWN狀態是不執行進來的任務的，可是會繼續執行隊列中的任務
            if (rs >= SHUTDOWN &&
                ! (rs == SHUTDOWN &&
                   firstTask == null &&
                   ! workQueue.isEmpty()))
                return false;
            for (;;) {
                int wc = workerCountOf(c);
                if (wc >= CAPACITY ||
                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                    return false;
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    break retry;
                c = ctl.get();  // Re-read ctl
                if (runStateOf(c) != rs)
                    continue retry;
                // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
            }
        }
        boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try {
            w = new Worker(firstTask);
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) {
                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
                mainLock.lock();
                try {
                    int rs = runStateOf(ctl.get());
                    if (rs < SHUTDOWN ||
                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                            throw new IllegalThreadStateException();
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                if (workerAdded) {
                    t.start();
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w);
        }
        return workerStarted;
    }
複製代碼

這裏就主要流程分析下

• 2層循環，外部循環查詢線程池狀態，若是當前是stop及之上的狀態，直接return，若是是SHUTDOWN狀態，而且firstTask不爲空或者隊列中是空的，直接return
• 內部循環查詢線程數量，經過傳遞進來的boolean值，分別和核心線程以及最大線程數量進行對比，若是成立，worker數量+1，而且跳出循環。
• 跳出循環就是實際執行任務了，Worker就將工做線程和任務封裝到了本身內部，咱們能夠將Worker當作就是一個工做線程，至於Worker是如何執行任務和從阻塞隊列中取任務

Worker()

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable {
        /** Thread this worker is running in. Null if factory fails. */
        final Thread thread;
        /** Initial task to run. Possibly null. */
        Runnable firstTask;
        /** Per-thread task counter */
        volatile long completedTasks;
        Worker(Runnable firstTask) {
            setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
            this.firstTask = firstTask;
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
        }
        public void run() {
            runWorker(this);
        }
        ......
}
複製代碼

能夠看到，Worker內部維護，一個線程變量以及任務變量，啓動一個 Worker對象中包含的線程 thread, 就至關於要執行 runWorker()方法, 並將該 Worker對象做爲該方法的參數.

runWorker()

final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        w.unlock(); // allow interrupts
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
            //task不爲空，執行當前任務，任務執行完後將task置位空，getTask方法接着不斷從隊列中取任務
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                w.lock();
                //再次check線程池狀態，若是是stop狀態，直接interrupt()中斷任務
                if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                     (Thread.interrupted() &&
                      runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                    !wt.isInterrupted())
                    wt.interrupt();
                try {
                    beforeExecute(wt, task);
                    Throwable thrown = null;
                    try {
                        //執行任務
                        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);
        }
    }
複製代碼

經過while循環不斷的調用getTask方法，獲取任務task並進行執行，若是任務都執行完，跳出循環，線程結束並減小當前線程數量。

getTask()

private Runnable getTask() {
        boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);

            // Check if queue empty only if necessary.
            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 {
                Runnable r = timed ?
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take();
                if (r != null)
                    return r;
                timedOut = true;
            } catch (InterruptedException retry) {
                timedOut = false;
            }
        }
    }
複製代碼

這裏主要有兩個判斷須要說明下：

boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize

allowCoreThreadTimeOut ：這個第一節有說過，若是核心線程設置了該屬性，也是須要進行回收的，wc > corePoolSize：當前線程是非核心線程也是須要回收的，知足任何一個條件，timed 置位true

timed ?workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :workQueue.take()

若是上述的timed標誌位爲true，調用poll方法獲取任務，同時設置超時時間，若是沒有任務，則超時返回null，跳出runWorker的循環，線程結束被回收，若是爲false，調用take方法，此時若是沒有任務，不會返回null，而是會進入阻塞狀態，等待任務，不會被回收

2、總結

線程池中的細節比較多，大體作一下總結概括

• 線程池的構造參數決定了線程池的運行策略，須要理解每一個參數的含義，由於每一個參數的不一樣很大程度上決定了這個線程池的運行規則，這也是爲何阿里巴巴開發手冊中提到經過自行建立的方式去建立線程池，而不是使用官方提供的4種線程池
• 線程池涉及多線程問題，狀態改變比較頻繁，在進行任務執行時，須要屢次check線程池的狀態，保證任務被執行的準確性
• 任務隊列的優先級高於非核心線程，核心線程滿的時候，會先把任務放進任務隊列，其次開啓非核心線程進行執行
• 核心線程和非核心線程本質上並無什麼區別，在覈心線程設置allowCoreThreadTimeOut 屬性爲true時，最終也會由於超時而被銷燬
• 線程池總覽就是經過兩個變量來總體控制整個流程，線程池的狀態，線程池中線程數量，涉及的方法不是不少，可是循環比較多，須要理解每一個循環的跳出條件以及對應的狀態。

大概分析就是這麼多，但願有可以幫助到一些朋友更好的理解線程池的工做原理以及在使用中可以更好的使用，若有疑問或者錯誤，歡迎一塊兒討論

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