[Java 并发]源码级分析 ThreadPoolExecutor 是如何做到线程复用的

た入场券 2023-02-17 05:26 16阅读 0赞

在上篇文章 [\[Java 并发\]详解 ThreadPoolExecutor][Java _ ThreadPoolExecutor] 中说过了,创建线程池的好处之一就是它可以做到线程复用  
那么,它是如何做到线程复用的呢?  
这事儿,还得从源码说起

先解决一个基础问题:啥是线程复用?  
如果是一个线程的话,那么在它创建的时候,我们会给它指定一个线程任务对不对?那如果执行完任务之后,这个线程是不是就会自动销毁?  
但是在线程池中可不是呦~线程池中的线程,在执行完任务之后不会销毁,会继续执行另外的任务  
这就是我们说的,线程复用

OK ,线程复用明白了,新的问题就来了:在 ThreadPoolExecutor 中,它是如何做到线程复用的呢?  
这就得去看源码是怎么写的了

#  execute #

做到线程复用,肯定要先 execute 起来吧(这块在刚开始的文章中已经有过解释了,就直接放源码了):

public void execute(Runnable command) { 
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
    		
        int c = ctl.get();
        // 当前线程数小于 corePoolSize 时,调用 addWorker 创建核心线程来执行任务
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { 
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
        // 当前线程数不小于 corePoolSize ,就将任务添加到 workQueue 中
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { 
        	// 获取到当前线程的状态,赋值给 recheck ,是为了重新检查状态
            int recheck = ctl.get();
            // 如果 isRunning 返回 false ,那就 remove 掉这个任务,然后执行拒绝策略,也就是回滚重新排队
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
            // 线程池处于 running 状态,但是没有线程,那就创建线程执行任务
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
        // 如果放入 workQueue 失败,尝试通过创建非核心线程来执行任务
        // 如果还是失败,说明线程池已经关闭或者已经饱和,会拒绝执行该任务
        else if (!addWorker(command, false))
            reject(command);
    }

# addWorker #

从上面能够看出来,主要是 addWorker 方法  
addWorker 主要是用来创建核心线程的,它主要的实现逻辑是:

*  判断线程数量有没有超过规定的数量,如果超过了就返回 false
 *  如果没有超过,就会创建 worker 对象,并初始化一个 Thread 对象,然后启动这个线程对象

接下来瞅瞅源码:

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { 
        retry:
        for (;;) { 
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);
    
            // Check if queue empty only if necessary.
    		// 线程池状态 >= SHUTDOWN 时,不再接受新的任务,直接返回 false
    		// 如果 rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty() 同样不接受新的任务,返回 false
            if (rs >= SHUTDOWN &&
                ! (rs == SHUTDOWN &&
                    firstTask == null &&
                    ! workQueue.isEmpty()))
                return false;
    
            for (;;) { 
                int wc = workerCountOf(c);
    			// wc >= CAPACITY 说明线程数不够,所以就返回 false
    			// wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize) 是在做判断
    				// 如果 core 为 true ,说明要创建的线程是核心线程,接下来判断 wc 是否大于 核心线程数 ,如果大于返回 false
    				// 如果 core 为 false ,说明要创建的线程是非核心线程,接下来判断 wc 是否大于 最大线程数 ,如果大于返回 false
                if (wc >= CAPACITY ||
                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                    return false;
    			// CAS 操作增加 workerCount 的值,如果成功跳出循环
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    break retry;
                c = ctl.get();  // Re-read ctl
    			// 判断线程池状态有没有变化,如果有变化,则重试
                if (runStateOf(c) != rs)
                    continue retry;
                // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
            }
        }
    
    	// workerCount 增加成功之后开始走下面的代码
        boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try { 
    		// 创建一个 worker 对象
            w = new Worker(firstTask);
    		// 实例化一个 Thread 对象
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) { 
    			// 接下来的操作需要加锁进行
                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
                mainLock.lock();
                try { 
                    // Recheck while holding lock.
                    // Back out on ThreadFactory failure or if
                    // shut down before lock acquired.
                    int rs = runStateOf(ctl.get());
    
                    if (rs < SHUTDOWN ||
                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { 
                        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                            throw new IllegalThreadStateException();
    					// 将任务线程添加到线程池中
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally { 
                    mainLock.unlock();
                }
                if (workerAdded) { 
    				// 启动任务线程,开始执行任务
                    t.start();
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally { 
            if (! workerStarted)
    			// 如果任务线程启动失败调用 addWorkerFailed 
    			// addWorkerFailed 方法里面主要做了两件事:将该线程从线程池中移除;将 workerCount 的值减 1
                addWorkerFailed(w);
        }
        return workerStarted;
    }

# Worker 类 #

在 addWorker 中,主要是由 Worker 类去做一些相应处理, worker 继承 AQS ,实现 Runnable 接口  
线程池维护的是 `HashSet<Worker>` ,一个由 `worker` 对象组成的 `HashSet`

private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();

worker 继承 AQS 主要是利用 AQS 独占锁机制,来标识线程是否空闲;另外, worker 还实现了 Runnable 接口,所以它本身就是一个线程任务,在构造方法中创建了一个线程,线程的任务就是自己 `this.thread = getThreadFactory().newThread(this);`  
咱们瞅瞅里面的源码:

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;
    
            // 处理任务的线程
            final Thread thread;
            // worker 传入的任务
            Runnable firstTask;
            /** Per-thread task counter */
            volatile long completedTasks;
    
            /** * Creates with given first task and thread from ThreadFactory. * @param firstTask the first task (null if none) */
            Worker(Runnable firstTask) { 
            	// 将 state 设为 -1 ,避免 worker 在执行前被中断
                setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
                this.firstTask = firstTask;
    			// 创建一个线程,来执行任务
                this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
            }
    
            /** Delegates main run loop to outer runWorker */
            public void run() { 
                runWorker(this);
            }
    
            // Lock methods
            //
            // The value 0 represents the unlocked state.
            // The value 1 represents the locked state.
    
            protected boolean isHeldExclusively() { 
                return getState() != 0;
            }
    
            protected boolean tryAcquire(int unused) { 
                if (compareAndSetState(0, 1)) { 
                    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                    return true;
                }
                return false;
            }
    
            protected boolean tryRelease(int unused) { 
                setExclusiveOwnerThread(null);
                setState(0);
                return true;
            }
    
            public void lock()        {  acquire(1); }
            public boolean tryLock()  {  return tryAcquire(1); }
            public void unlock()      {  release(1); }
            public boolean isLocked() {  return isHeldExclusively(); }
    
            void interruptIfStarted() { 
                Thread t;
                if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) { 
                    try { 
                        t.interrupt();
                    } catch (SecurityException ignore) { 
                    }
                }
            }
        }

# runWorker #

worker 类在执行 run 方法时,实际上调用的是 runWorker 方法

final void runWorker(Worker w) { 
            Thread wt = Thread.currentThread();
            Runnable task = w.firstTask;
            w.firstTask = null;
            // 允许中断
            w.unlock(); // allow interrupts
            boolean completedAbruptly = true;
            try { 
            	// 判断 task 是否为空,如果不为空直接执行
            	// 如果 task 为空,调用 getTask() 方法,从 workQueue 中取出新的 task 执行
                while (task != null || (task = getTask()) != null) { 
                	// 加锁,防止被其他线程中断
                    w.lock();
                    // If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
                    // if not, ensure thread is not interrupted. This
                    // requires a recheck in second case to deal with
                    // shutdownNow race while clearing interrupt
                    // 检查线程池的状态,如果线程池处于 stop 状态,则需要中断当前线程
                    if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                         (Thread.interrupted() &&
                          runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                        !wt.isInterrupted())
                        wt.interrupt();
                    try { 
                    	// 执行 beforeExecute 
                        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 afterExecute 方法
                            afterExecute(task, thrown);
                        }
                    } finally { 
                    	// 将 task 设置为 null ,循环操作
                        task = null;
                        w.completedTasks++;
                        // 释放锁
                        w.unlock();
                    }
                }
                completedAbruptly = false;
            } finally { 
                processWorkerExit(w, completedAbruptly);
            }
        }

在 runWorker 方法中,首先会去执行创建这个 worker 时就有的任务,当执行完这个任务之后, worker 并不会被销毁,而是在 while 循环中, worker 会不断的调用 getTask 方法从阻塞队列中获取任务然后调用 `task.run()` 来执行任务,这样就达到了**复用线程**的目的.通过循环条件 `while (task != null || (task = getTask()) != null)` 可以看出,只要 getTask 方法返回值不为 null ,就会一直循环下去,这个线程也就会一直在执行,从而达到了线程复用的目的

# getTask #

咱们来看看 getTask 方法的实现:

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?
                // allowCoreThreadTimeOut 变量默认为 false ,也就是核心线程就算是空闲也不会被销毁
                // 如果为 true ,核心线程在 keepAliveTime 内是空闲的,就会被销毁
                boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
    
                // 如果运行线程数大于最大线程数,但是缓存队列已经空了,此时递减 worker 数量
                // 如果有设置允许线程超时或者线程数量超过了核心线程数量,并且线程在规定时间内没有 poll 到任务并且队列为空,此时也递减 worker 数量
                if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
                    && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { 
                    if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                        return null;
                    continue;
                }
    
                try { 
                    // 如果 timed 为 true ,会调用 workQueue 的 poll 方法
                    	// 超时时间为 keepAliveTime ,如果超过 keepAliveTime 时长的话, poll 就会返回 null 
                    	// 如果返回为 null ,在 runWorker 中 
                    	// while (task != null || (task = getTask()) != null) 循环条件被打破,从而跳出循环,此时线程执行完毕
                    // 如果 timed 为 false ( allowCoreThreadTimeOut 为 false ,并且 wc > corePoolSize 为 false )
                    	// 会调用 workQueue 的 take 方法阻塞到当前
                    	// 当队列中有任务加入时,线程被唤醒, take 方法返回任务,开始执行
                    Runnable r = timed ?
                        workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                        workQueue.take();
                    if (r != null)
                        return r;
                    timedOut = true;
                } catch (InterruptedException retry) { 
                    timedOut = false;
                }
            }
        }

源码分析到这里就差不多清楚了  
线程复用主要体现在 runWorker 方法中的 while 循环中,在 while 循环里面, worker 会不断的调用 getTask 方法,而在 getTask 方法里,如果任务队列中没有了任务,此时如果线程是核心线程则会一直卡在 workQueue.take 方法,这个时候会被阻塞并挂起,不会占用 CPU 资源,直到拿到任务然后返回 true , 此时 runWorker 中得到这个任务来继续执行任务,从而实现了线程复用

以上,非常感谢您的阅读哇~

[Java _ ThreadPoolExecutor]: https://blog.csdn.net/zll_0405/article/details/106664253