JDK1.8源码分析：Executor和ThreadPoolExecutor线程池的设计和源码实现

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概述

• Executor线程执行器框架是在jDK1.5提供的，设计的主要目的是实现Runnable任务的提交和执行分离：任务提交主要是指在应用代码中实现Runnable接口定义业务相关的一个任务，然后交给一个Thread线程对象来执行；任务的执行是指Thread线程执行该任务。有了Executor线程执行器之后，我们只需要实现Runnalbe接口定义自己的任务即可，不需要显示创建Thread对象来执行，而是交给Executor，Executor会负责调度线程来执行该任务，具体为：
• 在Executor内部的线程池调度一个空闲的线程来执行该任务，或者如果没有空闲线程，则将该任务放到内部的一个队列排队等待，或者如果没有空闲线程，队列也没有空闲空间存放了，则使用相应的拒绝策略来拒绝执行这个任务。
• 由于Executor是异步执行任务的，对每次的任务提交可以返回一个Future对象，可以通过该Future对象来阻塞等待该任务的执行结果，或者通过该Future对象来取消该任务的执行。
• 除了实现任务提交和任务执行分离来实现自动化线程调度执行，简化编程复杂度，Executor线程执行器还包括以下优点：
  1. 通过线程池机制，实现线程复用，避免频繁的线程创建和销毁，提高了在执行大量任务时的性能，避免之前那种每个任务显式创建一个Thread对象来执行；
  2. 通过设置线程池和内部队列的大小，可以根据当前系统资源情况，灵活控制系统的资源消耗，避免创建过多线程或者队列存放过多任务，造成系统资源耗尽，如内存，CPU资源，导致系统宕机；
  3. 提供了任务执行情况的统计功能，如该Executor实例当前一共执行了多少任务。

ThreadPoolExecutor

• Executor接口的核心实现类为ThreadPoolExecutor，在ThredPoolExector中主要维护了一个线程池，一个线程安全的阻塞队列来进行任务的管理和执行，同时在类设计层面，ThreadPoolExecutor提供以下几个参数来对内部的线程池，队列等进行控制：
  1. corePoolSize：线程池核心大小，即任务需要排队之前的线程池的最大大小，如果corePoolSize个线程全部繁忙，则新来的任务需要排队了；
  2. maximumPoolSize：线程池最大大小，其中如果workQueue使用的是无界队列，则该参数无效；
  3. keepAliveTime：超过corePoolSize的线程，如果空闲超过keepAliveTime时间，则需要被销毁回收，默认corePoolSize范围内的线程一旦创建，即使空闲也不会回收的；
  4. workQueue：当前没有空闲线程时，任务的等待队列；
  5. threadFactory：线程池的线程创建工厂类；
  6. RejectedExecutionHandler：任务拒绝策略，即线程池没有空闲线程且无法继续创建线程，队列也排满等待执行的任务时，新来的任务的拒绝策略。
• 以下主要基于ThreadPoolExecutor来对Executor线程执行器进行分析。

构造函数

• ThreadPoolExecutor的构造函数主要是对以上参数进行赋值，具体的线程池中的线程是延迟初始化的，即在有任务提交的时候才开始创建线程：

  // 任务等待队列
  private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
  
  private int largestPoolSize;
  
  private volatile ThreadFactory threadFactory;
  
  /**
   * Handler called when saturated or shutdown in execute.
   */
  private volatile RejectedExecutionHandler handler;
  
  
  // 超过corePoolSize的线程，如果没有处理任务，则空闲多久被remove
  private volatile long keepAliveTime;
  
  // corePoolSize范围的线程在空闲时，是否运行remove，默认为false，即不能
  // 当设置为true时，注意keepAliveTime需要大于0，否则会抛异常
  private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;
  
  private volatile int corePoolSize;
  
  // 不过用户配置线程池最大多少，都不能超过CAPACITY，即(1 << 29) - 1
  private volatile int maximumPoolSize;
  
  /**
   * The default rejected execution handler
   */
  private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler =
      new AbortPolicy();
  
  public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                            int maximumPoolSize,
                            long keepAliveTime,
                            TimeUnit unit,
                            BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                            ThreadFactory threadFactory,
                            RejectedExecutionHandler handler) {
      if (corePoolSize < 0 ||
          maximumPoolSize <= 0 ||
          maximumPoolSize < corePoolSize ||
          keepAliveTime < 0)
          throw new IllegalArgumentException();
      if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
          throw new NullPointerException();
      this.corePoolSize = corePoolSize;
      this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
      this.workQueue = workQueue;
      this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
      this.threadFactory = threadFactory;
      this.handler = handler;
  }
  

工作线程和线程池

• 工作线程池主要通过一个HashSet来实现，使用HashSet而不会存在线程安全问题是因为在ThreadPoolExecutor内部对HashSet中节点的增删，即线程节点的增删，都是需要通过一个ReentrantLock来加锁，定义如下：

  /**
   * Set containing all worker threads in pool. Accessed only when
   * holding mainLock.
   */
  // workers线程的增删是在mainLock的加锁保护下进行的，这样保证了线程安全，故可以使用HashSet
  private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
  
  /**
   * Wait condition to support awaitTermination
   */
  private final Condition termination = mainLock.newCondition();
  

• 工作线程主要是通过定义一个Worker类来实现：继承于AQS，实现了Runnable接口，继承AQS的主要目的是使用AQS提供的互斥锁，即state=1，来表明当前worker是否在处理任务还是空闲，实现Runnable接口的主要目的是：将该worker对象自身作为一个task放到Worker内部的线程thread执行，在run方法中定义该工作线程的工作逻辑，主要是调用runWorker(this)方法，具体在任务执行部分分析runWorker。

• 内部包含了一个Thread对象，这个是实际执行任务的线程，同时包含一个Runable对象firstTask，由于是延迟创建工作线程的，所以这个是第一个触发创建这个工作线程的任务。

  // 继承AQS主要是使用AQS提供的互斥锁，即state=1，来表明当前worker是否在处理任务还是空闲，
  // 即加锁表示正在处理任务，不加锁表示空闲
  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. */
      final Thread thread;
      /** Initial task to run.  Possibly null. */
      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) {
          setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
          this.firstTask = firstTask;
          this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
      }
  
      /** Delegates main run loop to outer runWorker  */
      public void run() {
          runWorker(this);
      }
      
      ...
      
  }
  

任务的提交

• 任务的提交主要在ThreadPoolExecutor的execute方法定义，其中execute为void方法，没有返回值；如果提交任务，需要获取一个Future对象来跟踪这个任务的执行，获取执行结果，则需要使用submit方法。在内部实现中submit也是调用了execute来提交任务到线程池。

• execute定义：具体看代码注释，其中完成了对Executor框架设计中对corePoolSize，等待队列，maximumPoolSize，拒绝策略相关语义的实现，即对一个新任务的提交：

  1. 当线程池线程数量少于corePoolSize时，则创建一个新的线程来执行这个任务，不管当前线程池是否存在空闲线程；
  2. 当线程池线程数量达到corePoolSize时，则将该任务放到等待队列中，由于线程池中的空闲线程从这个队列取出然后执行；其中workQueue的offer方法为非阻塞，成功则返回true，否则返回false；
  3. 当等待队列workQueue也满了，当线程池线程数量少于maximumPoolSize时，则继续创建新线程执行这个任务，如果线程数量超过了maximumPoolSize，则此时说明存在太大任务等待执行了，则调用reject方法，根据具体的拒绝策略处理这个任务，默认为AbortPolicy，即在execute方法抛异常，所以如果可能存在这种情况，则一般需要在应用代码中捕获该异常。

  public void execute(Runnable command) {
      if (command == null)
          throw new NullPointerException();
      
      int c = ctl.get();
      // corePoolSize不满，则新建线程来处理task
      if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
          if (addWorker(command, true))
              return;
          c = ctl.get();
      }
      // corePoolSize满了，放入队列
      // isRunning通过判断状态是否是SHUTDOWN之前的，是则说明还在运行，
      // 否则说明调用了shutdown或者shutdownNow
      if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
          int recheck = ctl.get();
          if (! isRunning(recheck) && remove(command))
              // 根据reject策略，拒绝该任务的执行，默认为AbortPolicy
              reject(command);
          else if (workerCountOf(recheck) == 0)
              addWorker(null, false);
      }
      // 队列满了，core为false，表示使用maximumPoolSize作为边界，
      // 小于maximumPoolSize则，进行创建线程
      else if (!addWorker(command, false))
          reject(command);
  }
  

• addWorker延迟创建工作线程实现如下：首先在第一个自旋中通过比较当前线程池线程数量，corePoolSize，maximumPoolSize来确定是否可以继续创建线程；如果可以则创建Worker工作线程，并在加锁mainLock的包含下，将该工作线程添加到线程池workers中。最后调用该工作线程内部的线程thread的start的方法，开始这个工作线程的执行。

  // core为true表示将当前worker的数量与corePoolSize对比，大于则不再新建worker线程，否则与maximumPoolSize对比
  private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
      retry:
      // 自旋检查当前的worker线程数量
      for (;;) {
          int c = ctl.get();
          int rs = runStateOf(c);
  
          // 被shutdown或者shutdownNow了则不能进行添加任务
          // Check if queue empty only if necessary.
          if (rs >= SHUTDOWN &&
              ! (rs == SHUTDOWN &&
                 firstTask == null &&
                 ! workQueue.isEmpty()))
              return false;
  
          for (;;) {
              int wc = workerCountOf(c);
              // 判断是否可以新建worker线程了，最大不能超过CAPACITY
              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;
      // 创建worker线程
      try {
          w = new Worker(firstTask);
          final Thread t = w.thread;
          if (t != null) {
              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) {
                  // 调用thread的start方法，开始这个工作线程的执行
                  t.start();
                  workerStarted = true;
              }
          }
      } finally {
          if (! workerStarted)
              addWorkerFailed(w);
      }
      return workerStarted;
  }
  
  
  /**
   * Creates with given first task and thread from ThreadFactory.
   * @param firstTask the first task (null if none)
   */
  Worker(Runnable firstTask) {
      setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
      this.firstTask = firstTask;
      this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
  }
  

任务的执行

• 每个工作线程Worker主要是在run方法中调用runWorker来定义工作线程的具体工作逻辑，即执行创建该worker时提交的任务和从任务等待队列workQueue获取提交的任务并执行：主要是在while循环中调用getTask方法从任务等待队列获取任务，其中getTask为阻塞执行的，即如果等待队列没有任务，则阻塞等待：

  // worker线程的run方法调用该方法，定义worker线程的任务处理逻辑
  final void runWorker(Worker w) {
      Thread wt = Thread.currentThread();
      // 初始化任务，即worker是lazy创建的，所以这个是触发创建worker的task
      Runnable task = w.firstTask;
      w.firstTask = null;
      w.unlock(); // allow interrupts
      boolean completedAbruptly = true;
      try {
          // 从队列获取任务
          // getTask在worker线程数量少于等于corePoolSize为阻塞获取，故无限阻塞在while这里；
          // 在大于corePoolSize，为阻塞指定时间keepAliveTime获取，如果没有任务，则退出while，执行到finally了
          while (task != null || (task = getTask()) != null) {
              // 运行任务时，需要先加锁，加锁状态表示正在运行，否则是idle状态
              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
  
              // 状态为STOP，表示调用过了shutdownNow，
              // 中断worker线程，尝试停止当前正在执行的任务
              if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                   (Thread.interrupted() &&
                    runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                  !wt.isInterrupted())
                  wt.interrupt();
              try {
                  beforeExecute(wt, task);
                  Throwable thrown = null;
                  try {
                      // 执行Runnable task的run
                      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++;
                  // 是否锁，回归空闲idle状态
                  w.unlock();
              }
          }
          completedAbruptly = false;
      } finally {
          // 大于corePoolSize的worker线程，则空闲的时候需要关闭
          processWorkerExit(w, completedAbruptly);
      }
  }
  

• getTask：从任务等待队列workQueue阻塞等待获取任务。同时也在这里实现了超过corePoolSize的线程的超时清理控制，即如果超过了corePoolSize的线程，则调用了workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS)法，即阻塞keepAliveTime时间，如果还是没有任务，则返回null，则在runWorker中退出while循环，然后关闭这个工作线程。

  private Runnable getTask() {
      boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
      // 自旋
      for (;;) {
          int c = ctl.get();
          int rs = runStateOf(c);
  
          // 状态为STOP了，说明调用过了shutdownNow，则不再从队列取任务来执行了
          // 或者状态为SHUTDOWN，说明调用过了shutdown，如果任务队列为空，也不再从队列取任务来执行了
          // 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?
          // 当前workers线程数量是否大于corePoolSize
          boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
  
          if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
              && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
              if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                  return null;
              continue;
          }
  
          try {
              // 如果当前worker线程数量大于corePoolSize了，则使用poll阻塞指定时间keepAliveTime，从任务队列取任务；
              // 否则使用take无限阻塞从任务队列取任务，因为这个时候新来的任务是新建worker线程来处理的，
              // 已经存在的worker线程只需阻塞在这里等待corePoolSize满了，开始往队列填充任务时才执行
              Runnable r = timed ?
                  workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                  workQueue.take();
              if (r != null)
                  return r;
              timedOut = true;
          } catch (InterruptedException retry) {
              timedOut = false;
          }
      }
  }
  

任务的执行结果

• 如果需要获取任务的执行结果，则需要通过ThreadPoolExecutor的submit方法来提交任务，这个方法会返回一个Future接口的实现类对象，具体为FutureTask。submit方法在ThreadPoolExecutor的基类，即抽象类AbstractExecutorService中定义：内部是将task包装成了FutureTask，然后通过execute方法来提交到线程池。

  public Future<?> submit(Runnable task) {
      if (task == null) throw new NullPointerException();
      // 将应用代码中的task包装成一个FutureTask，然后交给线程池执行
      // 线程池调度一个线程来执行FutureTask的run，在FutureTask的run中调用task的run
      RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
      execute(ftask);
      // 返回这个包装了task的FutureTask，在应用代码中可以通过get来获取执行结果
      return ftask;
  }
  
  protected <T> RunnableFuture<T>     newTaskFor(Runnable runnable, T value) {
      return new FutureTask<T>(runnable, value);
  }
  

• 关于Future和FutureTask的设计，如何通过get获取执行结果，通过cannel取消任务执行的实现原理，详见：JDK1.8源码分析：Future和FutureTask-任务异步执行结果
  、
  

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任务的拒绝

• 当线程池无法继续创建线程，任务等待队列都满了时，则对于新提交的任务，则通过reject方法来调用对应的拒绝策略来处理。

• ThreadPoolExecutor提供了四种拒绝策略，分别为抛Abort异常，在线程池主线程中直接执行该任务，默默丢弃不做任务操作，从任务等待队列移除等待最久的任务，即队列头对应的任务，默认为抛Abort异常：

  public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
      
      ...
      
      public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
          throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
                                               " rejected from " +
                                               e.toString());
      }
  }
  
  public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {
      
      ...
      
      public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
          if (!e.isShutdown()) {
              r.run();
          }
      }
  }
  
  public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {
  
      ...
      
      public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
      }
  }
  
  public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {
      ...
      
      public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
          if (!e.isShutdown()) {
              e.getQueue().poll();
              e.execute(r);
          }
      }
  }
  

线程池的关闭

• 线程池的关闭主要包括平滑关闭和暴力关闭两种，内部主要是通过runState状态变量来做控制。

• shutdown：平滑关闭，停止新任务的提交，等待正在排队的任务和正在执行的任务执行完成：

  public void shutdown() {
      final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
      mainLock.lock();
      try {
          checkShutdownAccess();
          // SHUTDOWN表示不能新添加任务了，之前添加和正在运行的任务可以运行完
          advanceRunState(SHUTDOWN);
          // 中断空闲的worker线程
          interruptIdleWorkers();
          onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
      } finally {
          mainLock.unlock();
      }
      tryTerminate();
  }
  

• shutdownNow：暴力关闭，停止新任务的提交，中断正在执行任务的线程，停止排队任务的执行和尝试停止正在执行任务的执行。

  public List<Runnable> shutdownNow() {
      List<Runnable> tasks;
      final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
      mainLock.lock();
      try {
          checkShutdownAccess();
          // STOP表示不能添加新任务，之前添加的任务不再安排执行，中断正在执行的任务
          advanceRunState(STOP);
          // 中断所有worker线程，不管是空闲还是正在执行任务的worker线程
          interruptWorkers();
          tasks = drainQueue();
      } finally {
          mainLock.unlock();
      }
      tryTerminate();
      return tasks;
  }