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从源码的角度解析线程池运行原理

日期:2019-04-25点击:235

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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:

  1. 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;
  2. 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;
  3. 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;
  4. 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;
  5. 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:

  1. RUNNING:高三位值111
  2. SHUTDOWN:高三位值000
  3. STOP:高三位值001
  4. TIDYING:高三位值010
  5. 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:

  1. 将timedOut超时标记默认设置为false;
  2. 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;
  3. 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!

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原文链接:https://my.oschina.net/objcoding/blog/3042145
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