摘要：从手写线程池开始，逐步的分析这些代码在Java的线程池中是如何实现的。
本文分享自华为云社区《手写线程池，对照学习ThreadPoolExecutor线程池实现原理！》，作者：小傅哥。
谢飞机，小记！，上次吃亏在线程上，这可能一次坑掉两次吗！
谢飞机：你问吧，我准备好了！！！
面试官：嗯，线程池状态是如何设计存储的？
谢飞机：这！下一个，下一个！
面试官：Worker 的实现类，为什么不使用 ReentrantLock 来实现呢，而是自己继承AQS？
谢飞机：我…！
面试官：那你简述下，execute 的执行过程吧！
谢飞机：再见！
一、线程池讲解
1. 先看个例子
ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(10));
threadPoolExecutor.execute(() -> {
System.out.println("Hi 线程池！");
});
threadPoolExecutor.shutdown();
// Executors.newFixedThreadPool(10);
// Executors.newCachedThreadPool();
// Executors.newScheduledThreadPool(10);
// Executors.newSingleThreadExecutor();
这是一段用于创建线程池的例子，相信你已经用了很多次了。
线程池的核心目的就是资源的利用，避免重复创建线程带来的资源消耗。因此引入一个池化技术的思想，避免重复创建、销毁带来的性能开销。
那么，接下来我们就通过实践的方式分析下这个池子的构造，看看它是如何处理线程的。
2. 手写一个线程池
2.1 实现流程
为了更好的理解和分析关于线程池的源码，我们先来按照线程池的思想，手写一个非常简单的线程池。
其实很多时候一段功能代码的核心主逻辑可能并没有多复杂，但为了让核心流程顺利运行，就需要额外添加很多分支的辅助流程。就像我常说的，为了保护手才把擦屁屁纸弄那么大！
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关于图 21-1，这个手写线程池的实现也非常简单，只会体现出核心流程，包括：
- 有n个一直在运行的线程，相当于我们创建线程池时允许的线程池大小。
- 把线程提交给线程池运行。
- 如果运行线程池已满，则把线程放入队列中。
- 最后当有空闲时，则获取队列中线程进行运行。
2.2 实现代码
public class ThreadPoolTrader implements Executor {
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(0);
private volatile int corePoolSize;
private volatile int maximumPoolSize;
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
public ThreadPoolTrader(int corePoolSize, int maximumPoolSize, BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
}
@Override
public void execute(Runnable command) {
int c = ctl.get();
if (c < corePoolSize) {
if (!addWorker(command)) {
reject();
}
return;
}
if (!workQueue.offer(command)) {
if (!addWorker(command)) {
reject();
}
}
}
private boolean addWorker(Runnable firstTask) {
if (ctl.get() >= maximumPoolSize) return false;
Worker worker = new Worker(firstTask);
worker.thread.start();
ctl.incrementAndGet();
return true;
}
private final class Worker implements Runnable {
final Thread thread;
Runnable firstTask;
public Worker(Runnable firstTask) {
this.thread = new Thread(this);
this.firstTask = firstTask;
}
@Override
public void run() {
Runnable task = firstTask;
try {
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
task.run();
if (ctl.get() > maximumPoolSize) {
break;
}
task = null;
}
} finally {
ctl.decrementAndGet();
}
}
private Runnable getTask() {
for (; ; ) {
try {
System.out.println("workQueue.size：" + workQueue.size());
return workQueue.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
private void reject() {
throw new RuntimeException("Error！ctl.count：" + ctl.get() + " workQueue.size：" + workQueue.size());
}
public static void main(String[] args) {
ThreadPoolTrader threadPoolTrader = new ThreadPoolTrader(2, 2, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10));
for (int i = 0; i < 10; i++) {
int finalI = i;
threadPoolTrader.execute(() -> {
try {
Thread.sleep(1500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("任务编号：" + finalI);
});
}
}
}
// 测试结果
任务编号：1
任务编号：0
workQueue.size：8
workQueue.size：8
任务编号：3
workQueue.size：6
任务编号：2
workQueue.size：5
任务编号：5
workQueue.size：4
任务编号：4
workQueue.size：3
任务编号：7
workQueue.size：2
任务编号：6
workQueue.size：1
任务编号：8
任务编号：9
workQueue.size：0
workQueue.size：0
以上，关于线程池的实现还是非常简单的，从测试结果上已经可以把最核心的池化思想体现出来了。主要功能逻辑包括：
- ctl，用于记录线程池中线程数量。
- corePoolSize、maximumPoolSize，用于限制线程池容量。
- workQueue，线程池队列，也就是那些还不能被及时运行的线程，会被装入到这个队列中。
- execute，用于提交线程，这个是通用的接口方法。在这个方法里主要实现的就是，当前提交的线程是加入到worker、队列还是放弃。
- addWorker，主要是类 Worker 的具体操作，创建并执行线程。这里还包括了 getTask() 方法，也就是从队列中不断的获取未被执行的线程。
好，那么以上呢，就是这个简单线程池实现的具体体现。但如果深思熟虑就会发现这里需要很多完善，比如：线程池状态呢，不可能一直奔跑呀！？、线程池的锁呢，不会有并发问题吗？、线程池拒绝后的策略呢？，这些问题都没有在主流程解决，也正因为没有这些流程，所以上面的代码才更容易理解。
接下来，我们就开始分析线程池的源码，与我们实现的简单线程池参考对比，会更加容易理解 ！
3. 线程池源码分析
3.1 线程池类关系图
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以围绕核心类 ThreadPoolExecutor 的实现展开的类之间实现和继承关系，如图 21-2 线程池类关系图。
- 接口 Executor、ExecutorService，定义线程池的基本方法。尤其是 execute(Runnable command) 提交线程池方法。
- 抽象类 AbstractExecutorService，实现了基本通用的接口方法。
- ThreadPoolExecutor，是整个线程池最核心的工具类方法，所有的其他类和接口，为围绕这个类来提供各自的功能。
- Worker，是任务类，也就是最终执行的线程的方法。
- RejectedExecutionHandler，是拒绝策略接口，有四个实现类；AbortPolicy(抛异常方式拒绝)、DiscardPolicy(直接丢弃)、DiscardOldestPolicy(丢弃存活时间最长的任务)、CallerRunsPolicy(谁提交谁执行)。
- Executors，是用于创建我们常用的不同策略的线程池，newFixedThreadPool、newCachedThreadPool、newScheduledThreadPool、newSingleThreadExecutor。
3.2 高3位与低29位
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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;
在 ThreadPoolExecutor 线程池实现类中，使用 AtomicInteger 类型的 ctl 记录线程池状态和线程池数量。在一个类型上记录多个值，它采用的分割数据区域，高3位记录状态，低29位存储线程数量，默认 RUNNING 状态，线程数为0个。
3.2 线程池状态
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图 22-4 是线程池中的状态流转关系，包括如下状态：
- RUNNING：运行状态，接受新的任务并且处理队列中的任务。
- SHUTDOWN：关闭状态(调用了shutdown方法)。不接受新任务，,但是要处理队列中的任务。
- STOP：停止状态(调用了shutdownNow方法)。不接受新任务，也不处理队列中的任务，并且要中断正在处理的任务。
- TIDYING：所有的任务都已终止了，workerCount为0，线程池进入该状态后会调 terminated() 方法进入TERMINATED 状态。
- TERMINATED：终止状态，terminated() 方法调用结束后的状态。
3.3 提交线程(execute)
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public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
在阅读这部分源码的时候，可以参考我们自己实现的线程池。其实最终的目的都是一样的，就是这段被提交的线程，启动执行、加入队列、决策策略，这三种方式。
- ctl.get()，取的是记录线程状态和线程个数的值，最终需要使用方法 workerCountOf()，来获取当前线程数量。`workerCountOf 执行的是 c & CAPACITY 运算
- 根据当前线程池中线程数量，与核心线程数 corePoolSize 做对比，小于则进行添加线程到任务执行队列。
- 如果说此时线程数已满，那么则需要判断线程池是否为运行状态 isRunning(c)。如果是运行状态则把不能被执行的线程放入线程队列中。
- 放入线程队列以后，还需要重新判断线程是否运行以及移除操作，如果非运行且移除，则进行拒绝策略。否则判断线程数量为0后添加新线程。
- 最后就是再次尝试添加任务执行，此时方法 addWorker 的第二个入参是 false，最终会影响添加执行任务数量判断。如果添加失败则进行拒绝策略。
3.5 添加执行任务(addWorker)
![]()
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core)
第一部分、增加线程数量
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
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
}
}
第一部分、创建启动线程
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;
添加执行任务的流程可以分为两块看，上面代码部分是用于记录线程数量、下面代码部分是在独占锁里创建执行线程并启动。这部分代码在不看锁、CAS等操作，那么就和我们最开始手写的线程池基本一样了
- if (rs >= SHUTDOWN &&! (rs == SHUTDOWN &&firstTask == null &&! workQueue.isEmpty()))，判断当前线程池状态，是否为 SHUTDOWN、STOP、TIDYING、TERMINATED中的一个。并且当前状态为 SHUTDOWN、且传入的任务为 null，同时队列不为空。那么就返回 false。
- compareAndIncrementWorkerCount，CAS 操作，增加线程数量，成功就会跳出标记的循环体。
- runStateOf(c) != rs，最后是线程池状态判断，决定是否循环。
- 在线程池数量记录成功后，则需要进入加锁环节，创建执行线程，并记录状态。在最后如果判断没有启动成功，则需要执行 addWorkerFailed 方法，剔除到线程方法等操作。
3.6 执行线程(runWorker)
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // 允许中断
boolean completedAbruptly = true;
try {
while (task != null || (task = getTask()) != null)
w.lock();
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
task.run();
} finally {
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
其实，有了手写线程池的基础，到这也就基本了解了，线程池在干嘛。到这最核心的点就是 task.run() 让线程跑起来。额外再附带一些其他流程如下；
- beforeExecute、afterExecute，线程执行的前后做一些统计信息。
- 另外这里的锁操作是 Worker 继承 AQS 自己实现的不可重入的独占锁。
- processWorkerExit，如果你感兴趣，类似这样的方法也可以深入了解下。在线程退出时候workers做到一些移除处理以及完成任务数等，也非常有意思
3.7 队列获取任务(getTask)
如果你已经开始阅读源码，可以在 runWorker 方法中，看到这样一句循环代码 while (task != null || (task = getTask()) != null)。这与我们手写线程池中操作的方式是一样的，核心目的就是从队列中获取线程方法。
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;
}
}
}
- getTask 方法从阻塞队列中获取等待被执行的任务，也就是一条条往出拿线程方法。
- if (rs >= SHUTDOWN ...，判断线程是否关闭。
- wc = workerCountOf(c)，wc > corePoolSize，如果工作线程数超过核心线程数量 corePoolSize 并且 workQueue 不为空，则增加工作线程。但如果超时未获取到线程，则会把大于 corePoolSize 的线程销毁掉。
- timed，是 allowCoreThreadTimeOut 得来的。最终 timed 为 true 时，则通过阻塞队列的poll方法进行超时控制。
- 如果在 keepAliveTime 时间内没有获取到任务，则返回null。如果为false，则阻塞。
二、总结
- 这一章节并没有完全把线程池的所有知识点都介绍完，否则一篇内容会有些臃肿。在这一章节我们从手写线程池开始，逐步的分析这些代码在Java的线程池中是如何实现的，涉及到的知识点也几乎是我们以前介绍过的内容，包括：队列、CAS、AQS、重入锁、独占锁等内容。所以这些知识也基本是环环相扣的，最好有一些根基否则会有些不好理解。
- 除了本章介绍的，我们还没有讲到线程的销毁过程、四种线程池方法的选择和使用、以及在CPU密集型任务、IO 密集型任务时该怎么配置。另外在Spring中也有自己实现的线程池方法。这些知识点都非常贴近实际操作。
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