技术进阶：ThreadPoolExecutor源码解析之机制原理篇

╰半夏微凉° 2022-03-14 13:54 240阅读 0赞

牛旦教育IT课堂 2019-02-27 12:26:00

**1.ThreadPoolExcuter原理说明**

首先我们要知道为什么要使用ThreadPoolExcuter，具体可以看看文档中的说明：

**线程池可以解决下面不同问题：**

**1. 由于减少了每个任务的调用开销，在执行大量的异步任务时，它通常能够提供更好的性能，**

**2. 并且还可以提供绑定和管理资源（包括执行集合任务时使用的线程）的方法。**

**3. 每个 ThreadPoolExecutor还维护着一些基本的统计数据，如完成的任务数。**

线程池做的其实可以看得很简单，其实就是把你提交的任务（task）进行调度管理运行，但这个调度的过程以及其中的状态控制是比较复杂的。

**2.初始化参数介绍**

可以直接看最完整的ThreadPoolExcuter的初始化函数：

> public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long  keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) \{
> 
> ...
> 
> \}

逐个介绍如下：

**corePoolSize**：核心线程数，在ThreadPoolExcutor中有一个与它相关的配置：**allowCoreThreadTimeOut（默认为 false），**当 allowCoreThreadTimeOut 为 false 时，核心线程会一直存活，哪怕是一直空闲着。而当 allowCoreThreadTimeOut 为 true 时核心线程空闲时间超过keepAliveTime时会被回收。

**maximumPoolSize**：最大线程数，线程池能容纳的最大线程数，**当线程池中的线程达到最大时，此时添加任务将会采用拒绝策略，**默认的拒绝策略是抛出一个运行时错误（RejectedExecutionException）。**值得一提的是，当初始化时用的工作队列为LinkedBlockingDeque时，这个值将无效。**

**keepAliveTime**：存活时间，当非核心空闲超过这个时间将被回收，同时空闲核心线程是否回收受 allowCoreThreadTimeOut 影响。

**unit**：keepAliveTime的单位。

**workQueue**：任务队列，常用有三种队列，即 SynchronousQueue, LinkedBlockingDeque（无界队）,  ArrayBlockingQueue（有界队列）。

**threadFactory**：线程工厂，ThreadFactory是一个接口，用来创建worker。通过线程工厂可以对线程的一些属性进行定制。默认直接新建线程。

**RejectedExecutionHandler**：也是一个接口，只有一个方法，当线程池中的资源已经全部使用，添加新线程被拒绝时，会调用RejectedExecutionHandler 的 rejectedExecution法。

默认是抛出一个运行时异常。

这么多参数看起来好像很复杂，所以Java贴心得为我们准备了便捷的API，即可以直接用 Executors 创建各种线程池。分别是：

> //创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。
> 
> //通过**设置 corePoolSize为0，而 maximumPoolSize 为 Integer.MAX\_VALUE（Int型数据最大值）实现。**
> 
> ExecutorService cache = Executors.newCachedThreadPool();
> 
> //创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。
> 
> //通过**将 corePoolSize 和 maximumPoolSize 的值设置为一样的值来实现。** 
> 
> ExecutorService fixed = Executors.newFixedThreadPool(num);
> 
> //创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。
> 
> //通过**将队列参数 workQueue 设置为 DelayWorkQueue 来实现。**
> 
> ExecutorService schedule = Executors.newScheduledThreadPool(5);
> 
> //创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。
> 
> //通过**将 corePoolSize 和 maximumPoolSize 都设置为1来实现。** 
> 
> ExecutorService single = Executors.newSingleThreadExecutor();

这几个API会根据具体的情况而使用预设定好默认的初始化参数去创建一个ThreadPoolExecutor。

这里需要做一个额外说明，在ThreadPoolExcuter中，worker和task是有区别的，**task是用户提交的任务，而worker则是用来执行task的线程。****在初始化参数中，corePoolSize和maximumPoolSize都是针对worker的，而workQueue是用来存放task的。**

**3.worker介绍**

前面有介绍了一下worker和task的区别，其中task是用户提交的线程任务，而worker则是ThreadPoolExecutor自己内部实现的一个类了。

具体源码如下：

> /\*\* \* Woker主要维护着运行task的worker的中断控制信息，以及其他小记录。这个类拓展AbstractQueuedSynchronizer
> 
> \* 而来简化获取和释放每一个任务执行中的锁。这可以防止中断那些打算唤醒正在等待其他线程任务的任务，而不是
> 
> \* 中断正在运行的任务。我们实现一个简单的不可重入锁而不是ReentrantLo，因为我们不想当其调用setCorePoolSize
> 
> \* 这样的方法的时候能获得锁。
> 
> \*///worker主要是对进行中的任务进行中断控制，顺带着对其他行为进行记录
> 
> private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer
> 
> implements Runnable\{
> 
> /\*\* \* This class will never be serialized, but we provide a
> 
> \* serialVersionUID to suppress a javac warning.
> 
> \*/
> 
> private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;
> 
> /\*\* Thread this worker is running in. Null if factory fails. \*///正在跑的线程，如果是null标识factory失败
> 
> final Thread thread;
> 
> /\*\* Initial task to run. Possibly null. \*///初始化一个任务以运行
> 
> Runnable firstTask;
> 
> /\*\* Per-thread task counter \*///每个线程计数
> 
> volatile long completedTasks;
> 
> /\*\* \* Creates with given first task and thread from ThreadFactory.
> 
> \* @param firstTask the first task (null if none)
> 
> \* 用给定的first task和从threadFactory创建
> 
> \*/
> 
> Worker(Runnable firstTask) \{
> 
> setState(-1);// inhibit interrupts until runWorker
> 
>  this.firstTask = firstTask;
> 
> this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
> 
> \}
> 
> /\*\* Delegates main run loop to outer runWorker \*///主要调用了runWorker
> 
> public void run() \{
> 
> runWorker(this);
> 
> \}
> 
> // Lock methods
> 
> The value 0 represents the unlocked state.
> 
> // The value 1 represents the locked state.
> 
> //锁方法
> 
> protected boolean isHeldExclusively() \{
> 
> returngetState() != 0;
> 
> \}
> 
> //尝试获取锁
> 
> protected boolean tryAcquire(int unused) \{
> 
> if(compareAndSetState(0, 1)) \{
> 
> setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
> 
> returntrue;
> 
> \}
> 
> returnfalse;
> 
> \}
> 
> //尝试释放锁
> 
> protected boolean tryRelease(int unused) \{
> 
> setExclusiveOwnerThread(null);
> 
> setState(0);
> 
> returntrue;
> 
> \}
> 
> publicvoidlock() \{ acquire(1); \}
> 
> publicbooleantryLock() \{returntryAcquire(1); \}
> 
> publicvoidunlock() \{ release(1); \}
> 
> publicbooleanisLocked() \{return isHeldExclusively(); \}
> 
> void interruptIfStarted() \{
> 
> Thread t;
> 
> if(getState() >= 0 && (t = thread) !=null&& !t.isInterrupted()) \{
> 
> try \{
> 
> t.interrupt();
> 
> \} catch (SecurityException ignore) \{
> 
> \}
> 
> \}
> 
> \}
> 
> \}

Worker其实可以看作高级一点的线程。其中**继承AbstractQueuedSynchronizer主要是为了实现锁控制。ThreadPoolExecutor会持有并管理Worker，在Worker中firstTask其实就是存放task的，而thread则是存放当前Worker本身的线程。**

其中比较重要的就是run方法了，但这个方法其实又是去调用ThreadPoolExecutor里面的runWorker()方法，具体可以看下一节的介绍。

**4.ctl介绍以及运行状态说明**

首先需要介绍线程池有五种运行状态：

**RUNNING**（状态值-1）: 接收新任务并处理队列中的任务

**SHUTDOWN**（状态值0）: 不接收新任务但会处理队列中的任务。

**STOP**（状态值1）: 不接收新任务，不处理队列中的任务，并中断正在处理的任务

**TIDYING**（状态值2）: 所有任务已终止，workerCount为0，处于TIDYING状态的线程将调用钩子方法terminated()。

**TERMINATED**（状态值3）: terminated()方法完成。

然后我们可以看看ThreadPoolExcuter中的ctl这个变量。

**ctl 是 ThreadPoolExcuter 中**比较有意思的一个实现，它是**一个AtomicInteger，**这里不对AtomicInteger多做讨论，只要知道可以把它看成有原子性的Integer就够了，其实它具有原子性的原理是使用了**CAS的技术，**这**是一种乐观锁的具体实现。**

ThreadPoolExcuter是将两个内部值打包成一个值，即将 workerCount和runState（运行状态）这两个值打包在一个ctl中，因为runState有5个值，需要3位，所以有3位表示runState，而其他29位表示为workerCount。

而运行时要获取其他数据时，只需要对ctl进行拆包即可。具体这部分代码如下：

> privatefinalAtomicInteger ctl =newAtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
> 
> privatestaticfinalintCOUNT\_BITS = Integer.SIZE - 3;
> 
> privatestaticfinalintCAPACITY = (1 << COUNT\_BITS) - 1;
> 
> // runState is stored in the high-order bitsprivatestaticfinalintRUNNING = -1 << COUNT\_BITS;
> 
> privatestaticfinalintSHUTDOWN = 0 << COUNT\_BITS;
> 
> privatestaticfinalintSTOP = 1 << COUNT\_BITS;
> 
> privatestaticfinalintTIDYING = 2 << COUNT\_BITS;
> 
> privatestaticfinalintTERMINATED = 3 << COUNT\_BITS;
> 
> //Packing and unpacking ctl
> 
> //拆包ctl，分别获取runState和WorkerCount
> 
> privatestaticintrunStateOf(intc) \{returnc & ~CAPACITY; \}
> 
> privatestaticintworkerCountOf(intc) \{returnc &CAPACITY; \}
> 
> //打包操作
> 
> privatestaticintctlOf(intrs,intwc) \{returnrs | wc; \}

**5.拒绝策略**

**当执行器（Executor）处于终止状态，或者执行器在max threads和工作队列都是有界并且处于饱和的时候，新提交的任务会被拒绝。**在任一情况下，执行的任务将调用RejectedExecutionHandler的方法rejectedExecution(Runnable, ThreadPoolExecutor)。有以下四种拒绝策略：

1.默认的是ThreadPoolExecutor**.AbortPolicy，在这种策略下，处理器会在拒绝后抛出一个运行异常RejectedExecutionException。**

2.在ThreadPoolExecutor**.CallerRunsPolicy的策略下，线程会调用它直接的execute来运行这个任务。**这种方式提供简单的反馈控制机制来减缓新任务提交的速度。

3.在ThreadPoolExecutor**.DiscardPolicy策略下，无法执行的任务将被简单得删除掉。**

4.在ThreadPoolExecutor**.DiscardOldestPolicy策略下，如果executor没有处于终止状态，在工作队列头的任务将被删除，然后会重新执行（可能会再次失败，这会导致重复这个过程）。**

**总结：**本篇初步介绍了ThreadPoolExcuter的基本原理，解决了什么问题。而后说明了ThreadPoolExcuter中的初始化参数，对其中的各个参数做初步介绍。再之后Worker以及ctl变量的作用，并初步介绍了任务提交失败后的拒绝策略。

> 原文链接：https://www.jianshu.com/p/5e2bf9906ec1