Java线程池实现原理详解

原理概述

其实java线程池的实现原理很简单，说白了就是一个线程集合workerSet和一个阻塞队列workQueue。当用户向线程池提交一个任务(也就是线程)时，线程池会先将任务放入workQueue中。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。

线程池的几个主要参数的作用

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler)

1. corePoolSize: 规定线程池有几个线程(worker)在运行。
2. maximumPoolSize: 当workQueue满了,不能添加任务的时候，这个参数才会生效。规定线程池最多只能有多少个线程(worker)在执行。
3. keepAliveTime: 超出corePoolSize大小的那些线程的生存时间,这些线程如果长时间没有执行任务并且超过了keepAliveTime设定的时间，就会消亡。
4. unit: 生存时间对于的单位
5. workQueue: 存放任务的队列
6. threadFactory: 创建线程的工厂
7. handler: 当workQueue已经满了，并且线程池线程数已经达到maximumPoolSize，将执行拒绝策略。

任务提交后的流程分析

用户通过submit提交一个任务。线程池会执行如下流程:
1. 判断当前运行的worker数量是否超过corePoolSize,如果不超过corePoolSize。就创建一个worker直接执行该任务。—— 线程池最开始是没有worker在运行的
2. 如果正在运行的worker数量超过或者等于corePoolSize,那么就将该任务加入到workQueue队列中去。
3. 如果workQueue队列满了,也就是offer方法返回false的话，就检查当前运行的worker数量是否小于maximumPoolSize,如果小于就创建一个worker直接执行该任务。
4. 如果当前运行的worker数量是否大于等于maximumPoolSize，那么就执行RejectedExecutionHandler来拒绝这个任务的提交。

源码解析

我们先来看一下ThreadPoolExecutor中的几个关键属性。

//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
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;

1. 提交任务相关源码

下面是execute方法的源码

public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        int c = ctl.get();
        //workerCountOf(c)会获取当前正在运行的worker数量
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            //如果workerCount小于corePoolSize,就创建一个worker然后直接执行该任务
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
        //isRunning(c)是判断线程池是否在运行中,如果线程池被关闭了就不会再接受任务
        //后面将任务加入到队列中
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            //如果添加到队列成功了,会再检查一次线程池的状态
            int recheck = ctl.get();
            //如果线程池关闭了,就将刚才添加的任务从队列中移除
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                //执行拒绝策略
                reject(command);
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
        //如果加入队列失败,就尝试直接创建worker来执行任务
        else if (!addWorker(command, false))
            //如果创建worker失败,就执行拒绝策略
            reject(command);
}

添加worker的方法addWorker源码

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
        retry:
        //使用自旋+cas失败重试来保证线程竞争问题
        for (;;) {
            //先获取线程池的状态
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);

            // 如果线程池是关闭的,或者workQueue队列非空,就直接返回false,不做任何处理
            if (rs >= SHUTDOWN &&
                ! (rs == SHUTDOWN &&
                   firstTask == null &&
                   ! workQueue.isEmpty()))
                return false;

            for (;;) {
                int wc = workerCountOf(c);
                //根据入参core 来判断可以创建的worker数量是否达到上限,如果达到上限了就拒绝创建worker
                if (wc >= CAPACITY ||
                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                    return false;
                //没有的话就尝试修改ctl添加workerCount的值。这里用了cas操作,如果失败了下一个循环会继续重试,直到设置成功
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    //如果设置成功了就跳出外层的那个for循环
                    break retry;
                //重读一次ctl,判断如果线程池的状态改变了,会再重新循环一次
                c = ctl.get();  // Re-read ctl
                if (runStateOf(c) != rs)
                    continue retry;
            }
        }

        boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try {
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            //创建一个worker,将提交上来的任务直接交给worker
            w = new Worker(firstTask);
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) {
                //加锁,防止竞争
                mainLock.lock();
                try {
                    int c = ctl.get();
                    int rs = runStateOf(c);
                    //还是判断线程池的状态
                    if (rs < SHUTDOWN ||
                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                        //如果worker的线程已经启动了,会抛出异常
                        if (t.isAlive()) 
                              throw new IllegalThreadStateException();
                        //添加新建的worker到线程池中
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        //更新历史worker数量的最大值
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        //设置新增标志位
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                //如果worker是新增的,就启动该线程
                if (workerAdded) {
                    t.start();
                     //成功启动了线程,设置对应的标志位
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            //如果启动失败了,会触发执行相应的方法
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w);
        }
        return workerStarted;
}

2. Worker的结构

Worker是ThreadPoolExecutor内部定义的一个内部类。我们先看一下Worker的继承关系

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable

它实现了Runnable接口,所以可以拿来当线程用。同时它还继承了AbstractQueuedSynchronizer同步器类,主要用来实现一个不可重入的锁。

一些属性还有构造方法:

//运行的线程,前面addWorker方法中就是直接通过启动这个线程来启动这个worker
final Thread thread;
//当一个worker刚创建的时候,就先尝试执行这个任务
Runnable firstTask;
//记录完成任务的数量
volatile long completedTasks;
Worker(Runnable firstTask) {
            setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
            this.firstTask = firstTask;
            //创建一个Thread,将自己设置给他,后面这个thread启动的时候,也就是执行worker的run方法
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}

worker的run方法

public void run() {
            //这里调用了ThreadPoolExecutor的runWorker方法
            runWorker(this);
}

ThreadPoolExecutor的runWorker方法

final void runWorker(Worker w) {
        //获取当前线程
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        //执行unlock方法,允许其他线程来中断自己
        w.unlock(); // allow interrupts
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
            //如果前面的firstTask有值,就直接执行这个任务
            //如果没有具体的任务,就执行getTask()方法从队列中获取任务
            //这里会不断执行循环体,除非线程中断或者getTask()返回null才会跳出这个循环
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                //执行任务前先锁住,这里主要的作用就是给shutdown方法判断worker是否在执行中的
                //shutdown方法里面会尝试给这个线程加锁,如果这个线程在执行,就不会中断它
                w.lock();
               //判断线程池状态,如果线程池被强制关闭了,就马上退出
                if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                     (Thread.interrupted() &&
                      runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                    !wt.isInterrupted())
                    wt.interrupt();
                try {
                    //执行任务前调用。预留的方法,可扩展
                    beforeExecute(wt, task);
                    Throwable thrown = null;
                    try {
                        //真正的执行任务
                        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 {
                       //执行任务后调用。预留的方法,可扩展
                        afterExecute(task, thrown);
                    }
                } finally {
                    task = null;
                    //记录完成的任务数量
                    w.completedTasks++;
                    w.unlock();
                }
            }
            completedAbruptly = false;
        } finally {
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
}

下面来看一下getTask()方法，这里面涉及到keepAliveTime的使用，从这个方法我们可以看出先吃池是怎么让超过corePoolSize的那部分worker销毁的。

private Runnable getTask() {
        boolean timedOut = false; 

        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);

            // 如果线程池已经关闭了,就直接返回null,
            //如果这里返回null,调用的那个worker就会跳出while循环,然后执行完销毁线程
            //SHUTDOWN状态表示执行了shutdown()方法
            //STOP表示执行了shutdownNow()方法
            if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
                decrementWorkerCount();
                return null;
            }
            //获取当前正在运行中的worker数量
            int wc = workerCountOf(c);

            // 如果设置了核心worker也会超时或者当前正在运行的worker数量超过了corePoolSize,就要根据时间判断是否要销毁线程了
            //其实就是从队列获取任务的时候要不要设置超时间时间,如果超过这个时间队列还没有任务进来,就会返回null
            boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;

            //如果上一次循环从队列获取到的未null,这时候timedOut就会为true了
            if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
                && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
                //通过cas来设置WorkerCount,如果多个线程竞争,只有一个可以设置成功
                //最后如果没设置成功,就进入下一次循环,说不定下一次worker的数量就没有超过corePoolSize了,也就不用销毁worker了
                if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                    return null;
                continue;
            }

            try {
                //如果要设置超时时间,就设置一下咯
                //过了这个keepAliveTime时间还没有任务进队列就会返回null,那worker就会销毁
                Runnable r = timed ?
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take();
                if (r != null)
                    return r;
                //如果r为null,就设置timedOut为true
                timedOut = true;
            } catch (InterruptedException retry) {
                timedOut = false;
            }
        }
}

3. 添加Callable任务的实现源码

public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
        execute(ftask);
        return ftask;
}

要添加一个有返回值的任务的实现也很简单。其实就是对任务做了一层封装，将其封装成Future，然后提交给线程池执行，最后返回这个future。
这里的 newTaskFor(task) 方法会将其封装成一个FutureTask类。
外部的线程拿到这个future，执行get()方法的时候,如果任务本身没有执行完，执行线程就会被阻塞，直到任务执行完。
下面是FutureTask的get方法

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
        int s = state;
        //判断状态,如果任务还没执行完,就进入休眠,等待唤醒
        if (s <= COMPLETING)
            s = awaitDone(false, 0L);
        //返回值
        return report(s);
}

FutureTask中通过一个state状态来判断任务是否完成。当run方法执行完后,会将state状态置为完成，同时唤醒所有正在等待的线程。我们可以看一下FutureTask的run方法

public void run() {
        //判断线程的状态
        if (state != NEW ||
            !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                         null, Thread.currentThread()))
            return;
        try {
            Callable<V> c = callable;
            if (c != null && state == NEW) {
                V result;
                boolean ran;
                try {
                    //执行call方法
                    result = c.call();
                    ran = true;
                } catch (Throwable ex) {
                    result = null;
                    ran = false;
                    setException(ex);
                }
                if (ran)
                    //这个方法里面会设置返回内容,并且唤醒所以等待中的线程
                    set(result);
            }
        } finally {
            runner = null;
            int s = state;
            if (s >= INTERRUPTING)
                handlePossibleCancellationInterrupt(s);
        }
}

4. shutdown和shutdownNow方法的实现

shutdown方法会将线程池的状态设置为SHUTDOWN,线程池进入这个状态后,就拒绝再接受任务,然后会将剩余的任务全部执行完

public void shutdown() {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            //检查是否可以关闭线程
            checkShutdownAccess();
            //设置线程池状态
            advanceRunState(SHUTDOWN);
            //尝试中断worker
            interruptIdleWorkers();
             //预留方法,留给子类实现
            onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        tryTerminate();
}

private void interruptIdleWorkers() {
        interruptIdleWorkers(false);
}

private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            //遍历所有的worker
            for (Worker w : workers) {
                Thread t = w.thread;
                //先尝试调用w.tryLock(),如果获取到锁,就说明worker是空闲的,就可以直接中断它
                //注意的是,worker自己本身实现了AQS同步框架,然后实现的类似锁的功能
                //它实现的锁是不可重入的,所以如果worker在执行任务的时候,会先进行加锁,这里tryLock()就会返回false
                if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) {
                    try {
                        t.interrupt();
                    } catch (SecurityException ignore) {
                    } finally {
                        w.unlock();
                    }
                }
                if (onlyOne)
                    break;
            }
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
}

shutdownNow做的比较绝，它先将线程池状态设置为STOP，然后拒绝所有提交的任务。最后中断左右正在运行中的worker,然后清空任务队列。

public List<Runnable> shutdownNow() {
        List<Runnable> tasks;
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            checkShutdownAccess();
            //检测权限
            advanceRunState(STOP);
            //中断所有的worker
            interruptWorkers();
            //清空任务队列
            tasks = drainQueue();
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        tryTerminate();
        return tasks;
}

private void interruptWorkers() {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            //遍历所有worker，然后调用中断方法
            for (Worker w : workers)
                w.interruptIfStarted();
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
}

总结

java线程池的实现原理还是挺简单的。但是有一些细节还是需要去看源码才能得出答案。本文也没办法把所有的源码都讲解一遍，只列了比较重要的一些源码。有兴趣的同学可以自己打开源码好好看一下，肯定会对实现原理了解的更加深刻。

最后,如果本文有哪里说的不对或者遗漏的地方，也烦请指出，感激不尽。