Java并发包源码学习之线程池（一）ThreadPoolExecutor源码分析

Java中使用线程池技术一般都是使用Executors这个工厂类，它提供了非常简单方法来创建各种类型的线程池：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() 
public static ExecutorService newCachedThreadPool() 
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)

核心的接口其实是Executor，它只有一个execute方法抽象为对任务（Runnable接口）的执行， ExecutorService接口在Executor的基础上提供了对任务执行的生命周期的管理，主要是submit和shutdown方法， AbstractExecutorService对ExecutorService一些方法做了默认的实现，主要是submit和invoke方法，而真正的任务执行的Executor接口execute方法是由子类实现，就是ThreadPoolExecutor，它实现了基于线程池的任务执行框架，所以要了解 JDK的线程池，那么就得先看这个类。

再看execute方法之前需要先介几个变量或类。

ctl

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

这个变量是整个类的核心，AtomicInteger保证了对这个变量的操作是原子的，通过巧妙的操作，ThreadPoolExecutor用这一个变量保存了两个内容：

所有有效线程的数量
各个线程的状态（runState）

低29位存线程数，高3位存runState,这样runState有5个值：

RUNNING:-536870912
SHUTDOWN:0
STOP:536870912
TIDYING:1073741824
TERMINATED:1610612736

线程池中各个状态间的转换比较复杂，主要记住下面内容就可以了：

RUNNING状态：线程池正常运行，可以接受新的任务并处理队列中的任务；
SHUTDOWN状态：不再接受新的任务，但是会执行队列中的任务；
STOP状态：不再接受新任务，不处理队列中的任务

围绕ctl变量有一些操作，了解这些方法是看懂后面一些晦涩代码的基础：

 
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corePoolSize

核心线程池大小，活动线程小于corePoolSize则直接创建，大于等于则先加到workQueue中，队列满了才创建新的线程。

keepAliveTime

线程从队列中获取任务的超时时间，也就是说如果线程空闲超过这个时间就会终止。

Worker

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable ...

内部类Worker是对任务的封装，所有submit的Runnable都被封装成了Worker，它本身也是一个Runnable，然后利用AQS框架（关于AQS可以看我这篇文章）实现了一个简单的非重入的互斥锁，实现互斥锁主要目的是为了中断的时候判断线程是在空闲还是运行，可以看后面shutdown和shutdownNow方法的分析。

// state只有0和1，互斥
protected boolean tryAcquire(int unused) {
    if (compareAndSetState(0, 1)) {
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        return true;// 成功获得锁
    }
    // 线程进入等待队列
    return false;
}

protected boolean tryRelease(int unused) {
    setExclusiveOwnerThread(null);
    setState(0);
    return true;
}

之所以不用ReentrantLock是为了避免任务执行的代码中修改线程池的变量，如setCorePoolSize，因为ReentrantLock是可重入的。

execute

execute方法主要三个步骤：

活动线程小于corePoolSize的时候创建新的线程；
活动线程大于corePoolSize时都是先加入到任务队列当中；
任务队列满了再去启动新的线程，如果线程数达到最大值就拒绝任务。

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();

    int c = ctl.get();
    // 活动线程数 < corePoolSize
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        // 直接启动新的线程。第二个参数true:addWorker中会重新检查workerCount是否小于corePoolSize
        if (addWorker(command, true))
            // 添加成功返回
            return;
        c = ctl.get();
    }
    // 活动线程数 >= corePoolSize
    // runState为RUNNING && 队列未满
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        int recheck = ctl.get();
        // double check
        // 非RUNNING状态 则从workQueue中移除任务并拒绝
        if (!isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);// 采用线程池指定的策略拒绝任务
        // 线程池处于RUNNING状态 || 线程池处于非RUNNING状态但是任务移除失败
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            // 这行代码是为了SHUTDOWN状态下没有活动线程了，但是队列里还有任务没执行这种特殊情况。
            // 添加一个null任务是因为SHUTDOWN状态下，线程池不再接受新任务
            addWorker(null, false);

        // 两种情况：
        // 1.非RUNNING状态拒绝新的任务
        // 2.队列满了启动新的线程失败（workCount > maximumPoolSize）
    } else if (!addWorker(command, false))
        reject(command);
}

注释比较清楚了就不再解释了，其中比较难理解的应该是addWorker(null, false);这一行，这要结合addWorker一起来看。主要目的是防止HUTDOWN状态下没有活动线程了，但是队列里还有任务没执行这种特殊情况。

addWorker

这个方法理解起来比较费劲。

 
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runWorker

任务添加成功后实际执行的是runWorker这个方法，这个方法非常重要，简单来说它做的就是：

第一次启动会执行初始化传进来的任务firstTask；
然后会从workQueue中取任务执行，如果队列为空则等待keepAliveTime这么长时间。

 
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getTask

 
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processWorkerExit

线程退出会执行这个方法做一些清理工作。

 
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tryTerminate

processWorkerExit方法中会尝试调用tryTerminate来终止线程池。这个方法在任何可能导致线程池终止的动作后执行：比如减少wokerCount或SHUTDOWN状态下从队列中移除任务。

 
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shutdown和shutdownNow

shutdown这个方法会将runState置为SHUTDOWN，会终止所有空闲的线程。

public void shutdown() {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            checkShutdownAccess();
            // 线程池状态设为SHUTDOWN，如果已经至少是这个状态那么则直接返回
            advanceRunState(SHUTDOWN);
            // 注意这里是中断所有空闲的线程：runWorker中等待的线程被中断 → 进入processWorkerExit →
            // tryTerminate方法中会保证队列中剩余的任务得到执行。
            interruptIdleWorkers();
            onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        tryTerminate();
    }

shutdownNow方法将runState置为STOP。和shutdown方法的区别，这个方法会终止所有的线程。

public List<Runnable> shutdownNow() {
    List<Runnable> tasks;
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        checkShutdownAccess();
        // STOP状态：不再接受新任务且不再执行队列中的任务。
        advanceRunState(STOP);
        // 中断所有线程
        interruptWorkers();
        // 返回队列中还没有被执行的任务。
        tasks = drainQueue();
    }
    finally {
        mainLock.unlock();
    }
    tryTerminate();
    return tasks;
}

主要区别在于shutdown调用的是interruptIdleWorkers这个方法，而shutdownNow实际调用的是Worker类的interruptIfStarted方法：

private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        for (Worker w : workers) {
            Thread t = w.thread;
            // w.tryLock能获取到锁，说明该线程没有在运行，因为runWorker中执行任务会先lock，
            // 因此保证了中断的肯定是空闲的线程。
            if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) {
                try {
                    t.interrupt();
                } catch (SecurityException ignore) {
                } finally {
                    w.unlock();
                }
            }
            if (onlyOne)
                break;
        }
    }
    finally {
        mainLock.unlock();
    }
}

void interruptIfStarted() {
    Thread t;
    // 初始化时state == -1
    if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) {
        try {
            t.interrupt();
        } catch (SecurityException ignore) {
        }
    }
}

这就是前面提到的Woker类实现AQS的主要作用。

注意：shutdown方法可能会在finalize被隐式的调用。

这篇博客基本都是代码跟注释，所以如果不是分析ThreadPoolExecutor源码的话看起来会非常无聊。