[Alta Concurrencia] Mediante el análisis en profundidad del código fuente de cómo la clase ThreadPoolExecutor asegura el correcto funcionamiento del grupo de subprocesos

Hola a todos, soy Glacier~~

Para la clase principal ThreadPoolExecutor del grupo de subprocesos, ¿cuáles son los atributos importantes y las clases internas que brindan garantías importantes para el correcto funcionamiento del grupo de subprocesos?

Propiedades importantes en la clase ThreadPoolExecutor

En la clase ThreadPoolExecutor, hay varias propiedades y métodos muy importantes. A continuación, presentaremos estas propiedades y métodos importantes.

propiedades relacionadas con ctl

La constante ctl de tipo AtomicInteger es un atributo importante durante todo el ciclo de vida del grupo de subprocesos. Es un objeto de clase atómica, que se utiliza principalmente para guardar la cantidad de subprocesos y el estado del grupo de subprocesos. Echemos un vistazo a el código relacionado con este atributo como se muestra a continuación.

//主要用来保存线程数量和线程池的状态，高3位保存线程状态，低29位保存线程数量
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
//线程池中线程的数量的位数（32-3）
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
//表示线程池中的最大线程数量
//将数字1的二进制值向右移29位，再减去1
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;
//线程池的运行状态
private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;
//获取线程状态
private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
//获取线程数量
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
private static boolean runStateLessThan(int c, int s) {
	return c < s;
}
private static boolean runStateAtLeast(int c, int s) {
	return c >= s;
}
private static boolean isRunning(int c) {
	return c < SHUTDOWN;
}
private boolean compareAndIncrementWorkerCount(int expect) {
	return ctl.compareAndSet(expect, expect + 1);
}
private boolean compareAndDecrementWorkerCount(int expect) {
	return ctl.compareAndSet(expect, expect - 1);
}
private void decrementWorkerCount() {
	do {} while (! compareAndDecrementWorkerCount(ctl.get()));
}

La descripción de cada estado del grupo de subprocesos es la siguiente.

EN EJECUCIÓN: estado en ejecución, puede recibir tareas enviadas recientemente y también puede procesar tareas en la cola de bloqueo
APAGADO: estado de apagado, ya no puede recibir tareas enviadas recientemente, pero puede procesar tareas que se han guardado en la cola de bloqueo. Cuando el grupo de subprocesos está en el estado EN EJECUCIÓN, llamar al método shutdown() hará que el grupo de subprocesos ingrese este estado
DETENER: no se pueden recibir nuevas tareas y no se pueden procesar tareas que se han guardado en la cola de bloqueo. Interrumpirá el subproceso que está procesando la tarea. Si el grupo de subprocesos está en estado EJECUTANDO o APAGADO, llamar al método shutdownNow() hacer que el grupo de subprocesos entre en este estado.
ORDENAR: si se terminaron todas las tareas, el número efectivo de subprocesos es 0 (la cola de bloqueo está vacía y el número de subprocesos de trabajo en el grupo de subprocesos es 0), el grupo de subprocesos entrará en este estado.
TERMINADO: el grupo de subprocesos en el estado ORDENANDO llama al método terminado (), y el grupo de subprocesos se utilizará para ingresar a este estado

También puede seguir las anotaciones de la clase ThreadPoolExecutor para resumir las transiciones entre los estados del grupo de subprocesos, como se muestra en la siguiente figura.

EJECUTANDO -> APAGADO: El método shutdown() se llama explícitamente, o el método finalize() se llama implícitamente
(EN EJECUCIÓN o APAGADO) -> DETENER: llamar explícitamente al método shutdownNow()
APAGADO -> ORDENAR: cuando el grupo de subprocesos y la cola de tareas están vacíos
STOP -> TIDYING：当线程池为空的时候
TIDYING -> TERMINATED：当 terminated() hook 方法执行完成时候

其他重要属性

除了ctl相关的属性外，ThreadPoolExecutor类中其他一些重要的属性如下所示。

//用于存放任务的阻塞队列  
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
//可重入锁
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
//存放线程池中线程的集合，访问这个集合时，必须获得mainLock锁
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
//在锁内部阻塞等待条件完成
private final Condition termination = mainLock.newCondition();
//线程工厂，以此来创建新线程
private volatile ThreadFactory threadFactory;
//拒绝策略
private volatile RejectedExecutionHandler handler;
//默认的拒绝策略
private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy();

ThreadPoolExecutor类中的重要内部类

在ThreadPoolExecutor类中存在对于线程池的执行至关重要的内部类，Worker内部类和拒绝策略内部类。接下来，我们分别看这些内部类。

Worker内部类

Worker类从源代码上来看，实现了Runnable接口，说明其本质上是一个用来执行任务的线程，接下来，我们看下Worker类的源代码，如下所示。

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable{
	private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;
	//真正执行任务的线程
	final Thread thread;
	//第一个Runnable任务，如果在创建线程时指定了需要执行的第一个任务
	//则第一个任务会存放在此变量中，此变量也可以为null
	//如果为null，则线程启动后，通过getTask方法到BlockingQueue队列中获取任务
	Runnable firstTask;
	//用于存放此线程完全的任务数，注意：使用了volatile关键字
	volatile long completedTasks;
	
	//Worker类唯一的构造放大，传递的firstTask可以为null
	Worker(Runnable firstTask) {
		//防止在调用runWorker之前被中断
		setState(-1);
		this.firstTask = firstTask;
		//使用ThreadFactory 来创建一个新的执行任务的线程
		this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
	}
	//调用外部ThreadPoolExecutor类的runWorker方法执行任务
	public void run() {
		runWorker(this);
	}

	//是否获取到锁 
	//state=0表示锁未被获取
	//state=1表示锁被获取
	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) {
			}
		}
	}
}

在Worker类的构造方法中，可以看出，首先将同步状态state设置为-1，设置为-1是为了防止runWorker方法运行之前被中断。这是因为如果其他线程调用线程池的shutdownNow()方法时，如果Worker类中的state状态的值大于0，则会中断线程，如果state状态的值为-1，则不会中断线程。

Worker类实现了Runnable接口，需要重写run方法，而Worker的run方法本质上调用的是ThreadPoolExecutor类的runWorker方法，在runWorker方法中，会首先调用unlock方法，该方法会将state置为0，所以这个时候调用shutDownNow方法就会中断当前线程，而这个时候已经进入了runWork方法，就不会在还没有执行runWorker方法的时候就中断线程。

注意：大家需要重点理解Worker类的实现。

拒绝策略内部类

在线程池中，如果workQueue阻塞队列满了，并且没有空闲的线程池，此时，继续提交任务，需要采取一种策略来处理这个任务。而线程池总共提供了四种策略，如下所示。

直接抛出异常，这也是默认的策略。实现类为AbortPolicy。
用调用者所在的线程来执行任务。实现类为CallerRunsPolicy。
丢弃队列中最靠前的任务并执行当前任务。实现类为DiscardOldestPolicy。
直接丢弃当前任务。实现类为DiscardPolicy。

在ThreadPoolExecutor类中提供了4个内部类来默认实现对应的策略，如下所示。

public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {

	public CallerRunsPolicy() { }

	public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
		if (!e.isShutdown()) {
			r.run();
		}
	}
}

public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {

	public AbortPolicy() { }

	public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
		throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() + " rejected from " + e.toString());
	}
}

public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {

	public DiscardPolicy() { }

	public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
	}
}

public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {

	public DiscardOldestPolicy() { }


	public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
		if (!e.isShutdown()) {
			e.getQueue().poll();
			e.execute(r);
		}
	}
}

我们也可以通过实现RejectedExecutionHandler接口，并重写RejectedExecutionHandler接口的rejectedExecution方法来自定义拒绝策略，在创建线程池时，调用ThreadPoolExecutor的构造方法，传入我们自己写的拒绝策略。

例如，自定义的拒绝策略如下所示。

public class CustomPolicy implements RejectedExecutionHandler {

	public CustomPolicy() { }

	public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
		if (!e.isShutdown()) {
			System.out.println("使用调用者所在的线程来执行任务")
			r.run();
		}
	}
}

使用自定义拒绝策略创建线程池。

new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                       60L, TimeUnit.SECONDS,
                       new SynchronousQueue<Runnable>(),
                       Executors.defaultThreadFactory(),
		       new CustomPolicy());

今天就到这儿吧，我是冰河，我们下期见~~

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