自顶向下学习
一、先学会用自己的话理解
1.1为什么需要线程池？
因为jvm会切换内核态去创建线程，频繁创建线程会占用cpu资源，并且没有解决任何业务。我们希望更多的cpu的资源被用于业务的处理，而且不是用于线程的创建和销毁。所以利用池化的思想，缓存已创建的线程。
1.2为了满足这种需求，线程池是怎么设计的？
首先我们需要描述一些基本概念：
1.2.1 如何描述线程 —— Worker
1.2.2 如何表示任务 —— Runable
线程池的本质就是要缓存线程和任务，所以一定有一个线程集合workerSet用来缓存线程（Worker对象）和一个阻塞队列用workQueue来缓存任务(Runable)。workerSet中的线程会不断的从workQueue中获取线程然后执行。当workQueue中没有任务的时候，worker就会阻塞，直到队列中有任务了就取出来继续执行。
1.3这种设计下的api怎么设计合理？
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler)
复制代码corePoolSize 和 maximumPoolSize 对应池子的大小
keepAliveTime 和 unit 对应缓存线程的时间
workQueue 对应缓存的具体实现
threadFactory 对应线程的创建， handler 对应缓存不住的时候的拒绝策略
1.4如何简单描述线程池是如何运行的？
当一个任务提交至线程池之后:
-
线程池首先当前运行的线程数量是否少于corePoolSize。如果是，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果都在执行任务，则进入2.
-
判断BlockingQueue是否已经满了，倘若还没有满，则将线程放入BlockingQueue。否则进入3.
-
如果创建一个新的工作线程将使当前运行的线程数量超过maximumPoolSize，则交给RejectedExecutionHandler来处理任务。
二、接下来只是用代码去描述
2.0 交代一下线程池的一些成员变量
//这个属性是用来存放 当前运行的worker数量以及线程池状态的
//int是32位的，这里把int的高3位拿来充当线程池状态的标志位,后29位拿来充当当前运行worker的数量
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
//存放任务的阻塞队列
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
//worker的集合,用set来存放,重写equals和hashCode方法
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
//历史达到的worker数最大值
private int largestPoolSize;
//当队列满了并且worker的数量达到maxSize的时候,执行具体的拒绝策略
private volatile RejectedExecutionHandler handler;
//超出coreSize的worker的生存时间
private volatile long keepAliveTime;
//常驻worker的数量
private volatile int corePoolSize;
//最大worker的数量,一般当workQueue满了才会用到这个参数
private volatile int maximumPoolSize;
复制代码内部状态
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// Packing and unpacking ctl
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
复制代码其中AtomicInteger变量ctl的功能非常强大: 利用低29位表示线程池中线程数，通过高3位表示线程池的运行状态:
- RUNNING: 即高3位为111，该状态的线程池会接收新任务，并处理阻塞队列中的任务；
- SHUTDOWN: ，即高3位为000，该状态的线程池不会接收新任务，但会处理阻塞队列中的任务；
- STOP : 即高3位为001，该状态的线程不会接收新任务，也不会处理阻塞队列中的任务，而且会中断正在运行的任务；
- TIDYING :，即高3位为010, 所有的任务都已经终止；
- TERMINATED:即高3位为011, terminated()方法已经执行完成
2.1 为什么需要Worker来描述线程？Worker有什么作用？
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable
复制代码分析一个类的作用，首先看他实现了那些接口。Worker继承了Aqs和Runnable。
-
继承了AQS类，可以方便的实现工作线程的中止操作；
-
实现了Runnable接口，可以将自身作为一个任务在工作线程中执行；
-
当前提交的任务firstTask作为参数传入Worker的构造方法；
Worker的run方法执行的是线程池的runWorker方法
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // 中断相关的代码，中断的时候统一处理
boolean completedAbruptly = true;
try {
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
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
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
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 {
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
复制代码runWorker方法是线程池的核心:
-
线程启动之后，通过unlock方法释放锁，设置AQS的state为0，表示运行可中断；
-
Worker执行firstTask或从workQueue中获取任务:
-
进行加锁操作，保证thread不被其他线程中断(除非线程池被中断)
-
检查线程池状态，倘若线程池处于中断状态，当前线程将中断。
-
执行beforeExecute
-
执行任务的run方法
-
执行afterExecute方法
-
解锁操作
2.2 Worker是怎样获取任务的？
通过getTask方法从阻塞队列中获取等待的任务，如果队列中没有任务，getTask方法会被阻塞并挂起，不会占用cpu资源；
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.
// 线程池正在停止或者任务队列为空，则工作线程数wc减去1，然后直接返回null
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
// 跑到这里说明线程池还处于RUNNING状态，重新获取一次工作线程数
int wc = workerCountOf(c);
// 超时时间控制
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
// 1.wc > maximumPoolSize说明当前的工作线程总数大于maximumPoolSize，说明setMaximumPoolSize()方法减少了线程池容量\
// 或者 2.timed && timedOut说明了线程命中了超时控制并且上一轮循环通过poll()方法从任务队列中拉取任务为null\
// 并且 3. 工作线程总数大于1或者任务队列为空，则通过CAS把线程数减去1，同时返回null，\
// CAS把线程数减去1失败会进入下一轮循环做重试
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
try {
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}
复制代码注意这里一段代码是keepAliveTime起作用的关键:
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
复制代码allowCoreThreadTimeOut为false，线程即使空闲也不会被销毁；倘若为ture，在keepAliveTime内仍空闲则会被销毁。
如果线程允许空闲等待而不被销毁timed == false，workQueue.take任务: 如果阻塞队列为空，当前线程会被挂起等待；当队列中有任务加入时，线程被唤醒，take方法返回任务，并执行；
如果线程不允许无休止空闲timed == true, workQueue.poll任务: 如果在keepAliveTime时间内，阻塞队列还是没有任务，则返回null；
2.3 怎样执行任务的？
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
//workerCountOf获取线程池的当前线程数；小于corePoolSize，执行addWorker创建新线程执行command任务
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// double check: c, recheck
// 线程池处于RUNNING状态，把提交的任务成功放入阻塞队列中
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
// recheck and if necessary 回滚到入队操作前，即倘若线程池shutdown状态，就remove(command)
//如果线程池没有RUNNING，成功从阻塞队列中删除任务，执行reject方法处理任务
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
//线程池处于running状态，但是没有线程，则创建线程
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 往线程池中创建新的线程失败，则reject任务
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
复制代码从方法execute的实现可以看出: addWorker主要负责创建新的线程并执行任务 线程池创建新线程执行任务时，需要 获取全局锁:
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
// CAS更新线程池数量
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
// 线程池重入锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
int rs = runStateOf(ctl.get());
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();
}
if (workerAdded) {
t.start(); // 线程启动，执行任务(Worker.thread(firstTask).start());
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
复制代码