从源码的角度解析线程池运行原理
微信公众号「后端进阶」，专注后端技术分享：Java、Golang、WEB框架、分布式中间件、服务治理等等。
老司机倾囊相授，带你一路进阶，来不及解释了快上车！
在讲解完线程池的构造参数和一些不常用的设置之后，有些同学还是想继续深入地了解线程池的原理，所以这篇文章我会带大家深入源码，从底层吃透线程池的运行原理。
ThreadPoolExecutor
在深入源码之前先来看看J.U.C包中的线程池类图：
它们的最顶层是一个Executor接口，它只有一个方法：
public interface Executor {
void execute(Runnable command);
}
它提供了一个运行新任务的简单方法，Java线程池也称之为Executor框架。
ExecutorService扩展了Executor，添加了操控线程池生命周期的方法，如shutDown()，shutDownNow()等，以及扩展了可异步跟踪执行任务生成返回值Future的方法，如submit()等方法。
ThreadPoolExecutor继承自AbstractExecutorService，同时实现了ExecutorService接口，也是Executor框架默认的线程池实现类，也是这篇文章重点分析的对象，一般我们使用线程池，如没有特殊要求，直接创建ThreadPoolExecutor，初始化一个线程池，如果需要特殊的线程池，则直接继承ThreadPoolExecutor，并实现特定的功能，如ScheduledThreadPoolExecutor，它是一个具有定时执行任务的线程池。
下面我们开始ThreadPoolExecutor的源码分析了（以下源码为JDK8版本）：
ctl变量
ctl是一个Integer值，它是对线程池运行状态和线程池中有效线程数量进行控制的字段，Integer值一共有32位，其中高3位表示"线程池状态"，低29位表示"线程池中的任务数量"。我们看看Doug Lea大神是如何实现的：
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
// 通过位运算获取线程池运行状态
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
// 通过位运算获取线程池中有效的工作线程数
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
// 初始化ctl变量值
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
线程池一共有状态5种状态，分别是：
- Running：线程池初始化时默认的状态，表示线程正处于运行状态，能够接受新提交的任务，同时也能够处理阻塞队列中的任务；
- SHUTDOWN：调用shutdown()方法会使线程池进入到该状态，该状态下不再继续接受新提交的任务，但是还会处理阻塞队列中的任务；
- STOP：调用shutdownNow()方法会使线程池进入到该状态，该状态下不再继续接受新提交的任务，同时不再处理阻塞队列中的任务；
- TIDYING：如果线程池中workerCount=0，即有效线程数量为0时，会进入该状态；
- TERMINATED：在terminated()方法执行完后进入该状态，只不过terminated()方法需要我们自行实现。
我们再来看看位运算：
COUNT_BITS表示ctl变量中表示有效线程数量的位数，这里COUNT_BITS=29；
CAPACITY表示最大有效线程数，根据位运算得出COUNT_MASK=11111111111111111111111111111，这算成十进制大约是5亿，在设计之初就已经想到不会开启超过5亿条线程，所以完全够用了；
线程池状态的位运算得到以下值：
- RUNNING：高三位值111
- SHUTDOWN：高三位值000
- STOP：高三位值001
- TIDYING：高三位值010
- TERMINATED：高三位值011
这里简单解释一下Doug Lea大神为什么使用一个Integer变量表示两个值：
很多人会想，一个变量表示两个值，就节省了存储空间，但是这里很显然不是为了节省空间而设计的，即使将这辆个值拆分成两个Integer值，一个线程池也就多了4个字节而已，为了这4个字节而去大费周章地设计一通，显然不是Doug Lea大神的初衷。
在多线程的环境下，运行状态和有效线程数量往往需要保证统一，不能出现一个改而另一个没有改的情况，如果将他们放在同一个AtomicInteger中，利用AtomicInteger的原子操作，就可以保证这两个值始终是统一的。
Doug Lea大神牛逼！
Worker
Worker类继承了AQS，并实现了Runnable接口，它有两个重要的成员变量：firstTask和thread。firstTask用于保存第一次新建的任务；thread是在调用构造方法时通过ThreadFactory来创建的线程，是用来处理任务的线程。
如何在线程池中添加任务？
线程池要执行任务，那么必须先添加任务，execute()虽说是执行任务的意思，但里面也包含了添加任务的步骤在里面，下面源码：
java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#execute：
public void execute(Runnable command) {
// 如果添加订单任务为空，则空指针异常
if (command == null)
throw new NullPointerException();
// 获取ctl值
int c = ctl.get();
// 1.如果当前有效线程数小于核心线程数，调用addWorker执行任务（即创建一条线程执行该任务）
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 2.如果当前有效线程大于等于核心线程数，并且当前线程池状态为运行状态，则将任务添加到阻塞队列中，等待空闲线程取出队列执行
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);
}
// 3.如果阻塞队列已满，则调用addWorker执行任务（即创建一条线程执行该任务）
else if (!addWorker(command, false))
// 如果创建线程失败，则调用线程拒绝策略
reject(command);
}
可以发现，源码的解读对应「你都了解线程池的参数吗？」里面那道面试题的解析是一样的，我在这里画一下execute执行任务的流程图：
继续往下看，addWorker添加任务，方法源码有点长，我按照逻辑拆分成两部分讲解：
java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#addWorker：
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
// 获取线程池当前运行状态
int rs = runStateOf(c);
// 如果rs大于SHUTDOWN，则说明此时线程池不在接受新任务了
// 如果rs等于SHUTDOWN，同时满足firstTask为空，且阻塞队列如果有任务，则继续执行任务
// 也就说明了如果线程池处于SHUTDOWN状态时，可以继续执行阻塞队列中的任务，但不能继续往线程池中添加任务了
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
// 获取有效线程数量
int wc = workerCountOf(c);
// 如果有效线程数大于等于线程池所容纳的最大线程数（基本不可能发生），不能添加任务
// 或者有效线程数大于等于当前限制的线程数，也不能添加任务
// 限制线程数量有任务是否要核心线程执行决定，core=true使用核心线程执行任务
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
// 使用AQS增加有效线程数量
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
// 如果再次获取ctl变量值
c = ctl.get(); // Re-read ctl
// 再次对比运行状态，如果不一致，再次循环执行
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
这里特别强调，firstTask是开启线程执行的首个任务，之后常驻在线程池中的线程执行的任务都是从阻塞队列中取出的，需要注意。
以上for循环代码主要作用是判断ctl变量当前的状态是否可以添加任务，特别说明了如果线程池处于SHUTDOWN状态时，可以继续执行阻塞队列中的任务，但不能继续往线程池中添加任务了；同时增加工作线程数量使用了AQS作同步，如果同步失败，则继续循环执行。
// 任务是否已执行
boolean workerStarted = false;
// 任务是否已添加
boolean workerAdded = false;
// 任务包装类，我们的任务都需要添加到Worker中
Worker w = null;
try {
// 创建一个Worker
w = new Worker(firstTask);
// 获取Worker中的Thread值
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
// 操作workers HashSet 数据结构需要同步加锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
// 获取当前线程池的运行状态
int rs = runStateOf(ctl.get());
// rs < SHUTDOWN表示是RUNNING状态；
// 如果rs是RUNNING状态或者rs是SHUTDOWN状态并且firstTask为null，向线程池中添加线程。
// 因为在SHUTDOWN时不会在添加新的任务，但还是会执行workQueue中的任务
// rs是RUNNING状态时，直接创建线程执行任务
// 当rs等于SHUTDOWN时，并且firstTask为空，也可以创建线程执行任务，也说说明了SHUTDOWN状态时不再接受新任务
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();
}
// 启动线程执行任务
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
以上源码主要的作用是创建一个Worker对象，并将新的任务装进Worker中，开启同步将Worker添加进workers中，这里需要注意workers的数据结构为HashSet，非线程安全，所以操作workers需要加同步锁。添加步骤做完后就启动线程来执行任务了，继续往下看。
如何执行任务？
我们注意到上面的代码中：
// 启动线程执行任务
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
这里的t是w.thread得到的，即是Worker中用于执行任务的线程，该线程由ThreadFactory创建，我们再看看生成Worker的构造方法：
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
newThread传的参数是Worker本身，而Worker实现了Runnable接口，所以当我们执行t.start()时，执行的是Worker的run()方法，找到入口了：
java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.Worker#run：
public void run() {
runWorker(this);
}
java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#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 {
// 循环从workQueue阻塞队列中获取任务并执行
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
// 加同步锁的目的是为了防止同一个任务出现多个线程执行的问题
w.lock();
// 如果线程池正在关闭，须确保中断当前线程
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
// 执行任务前可以做一些操作
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
// 执行任务
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 {
// 执行任务后可以做一些操作
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
// 将task置为空，让线程自行调用getTask()方法从workQueue阻塞队列中获取任务
task = null;
// 记录Worker执行了多少次任务
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
// 线程回收过程
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
这一步是执行任务的核心方法，首次执行不为空的firstTask任务，之后便一直从workQueue阻塞队列中获取任务并执行，如果你想在任务执行前后做点啥不可告人的小动作，你可以实现ThreadPoolExecutor以下两个方法：
protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }
protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) { }
这样一来，我们就可以对任务的执行进行实时监控了。
这里还需要注意，在finally块中，将task置为空，目的是为了让线程自行调用getTask()方法从workQueue阻塞队列中获取任务。
如何保证核心线程不被销毁？
我们之前已经知道线程池中可维持corePoolSize数量的常驻核心线程，那么它们是如何保证执行完任务而不被线程池回收的呢？在前面的章节中你可能已经到从workQueue队列中会阻塞式地获取任务，如果没有获取任务，那么就会一直阻塞下去，很聪明，你已经知道答案了，现在我们来看Doug Lea大神是如何实现的。
java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#getTask：
private Runnable getTask() {
// 超时标记，默认为false，如果调用workQueue.poll()方法超时了，会标记为true
// 这个标记非常之重要，下面会说到
boolean timedOut = false;
for (;;) {
// 获取ctl变量值
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 如果当前状态大于等于SHUTDOWN，并且workQueue中的任务为空或者状态大于等于STOP
// 则操作AQS减少工作线程数量，并且返回null，线程被回收
// 也说明假设状态为SHUTDOWN的情况下，如果workQueue不为空，那么线程池还是可以继续执行剩下的任务
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
// 操作AQS将线程池中的线程数量减一
decrementWorkerCount();
return null;
}
// 获取线程池中的有效线程数量
int wc = workerCountOf(c);
// 如果开发者主动开启allowCoreThreadTimeOut并且获取当前工作线程大于corePoolSize，那么该线程是可以被超时回收的
// allowCoreThreadTimeOut默认为false，即默认不允许核心线程超时回收
// 这里也说明了在核心线程以外的线程都为“临时”线程，随时会被线程池回收
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
// 这里说明了两点销毁线程的条件：
// 1.原则上线程池数量不可能大于maximumPoolSize，但可能会出现并发时操作了setMaximumPoolSize方法，如果此时将最大线程数量调少了，很可能会出现当前工作线程大于最大线程的情况，这时就需要线程超时回收，以维持线程池最大线程小于maximumPoolSize，
// 2.timed && timedOut 如果为true，表示当前操作需要进行超时控制，这里的timedOut为true，说明该线程已经从workQueue.poll()方法超时了
// 以上两点满足其一，都可以触发线程超时回收
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
// 尝试用AQS将线程池线程数量减一
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
// 减一成功后返回null，线程被回收
return null;
// 否则循环重试
continue;
}
try {
// 如果timed为true，阻塞超时获取任务，否则阻塞获取任务
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
// 如果poll超时获取任务超时了, 将timeOut设置为true
// 继续循环执行，如果碰巧开发者开启了allowCoreThreadTimeOut，那么该线程就满足超时回收了
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}
我把我对getTask()方法源码的深度解析写在源码对应的地方了，该方法就是实现默认的情况下核心线程不被销毁的核心实现，其实现思路大致是：
- 将timedOut超时标记默认设置为false；
- 计算timed的值，该值决定了线程的生死大权，(timed && timedOut) 即是线程超时回收的条件之一，需要注意的是第一次(timed && timedOut) 为false，因为timedOut默认值为false，此时还没到poll超时获取的操作；
- 根据timed值来决定是用阻塞超时获取任务还是阻塞获取任务，如果用阻塞超时获取任务，超时后timedOut会被设置为true，接着继续循环，此时(timed && timedOut) 为true，满足线程超时回收。
呕心沥血的一篇源码解读到此结束，希望能助同学们彻底吃透线程池的底层原理，以后遇到面试官问你线程池的问题，你就说看过「后端进阶」的线程池源码解读，面试官这时就会夸你：
这同学基础真扎实！
