Java线程池源码深度解析

核心机制

再分析源码之前，我们还是先回顾和熟悉下线程的核心工作机制。

线程池工作原理

线程池采用的是一种生产者-消费者的模型，如下图：

1. 主线程调用execute、或者submit等方法提交任务给线程池。
2. 如果线程池中正在运行的工作线程数量小于corePoolSize(核心线程数量)，那么马上创建线程运行这个任务。
3. 如果线程池中正在运行的工作线程数量大于或等于 corePoolSize(核心线程数量)，那么将这个任务放入队列，稍后执行。
4. 如果这时队列满了且正在运行的工作线程数量还小于 maximumPoolSize(最大线程数量)，那么会创建非核心工作线程立刻运行这个任务，这部分非核心工作线程空闲超过一定的时间（keepAliveTime）时，就会被销毁回收。
5. 如果最终提交的任务超过了maximumPoolSize(最大线程数量)，那么就会执行拒绝策略。

线程池状态

线程池的状态有5种，他们的状态转换如上图所示，这里记得区别线程的状态，它们不是一回事。

ThreadPoolExecutor类存放线程池的状态信息很特别，是存储在一个int类型原子变量的高3位，而低29位用来存储线程池当前运行的线程数量。通过将线程池的状态和线程数量合二为一，可以做到一次CAS原子操作更新数据。

源码解析

上图是线程池核心类ThreadPoolExecutor的类结构图:

• ​​Executor​​: 提交任务的基础接口，只有一个​​execute​​方法。
• ​​ExecutorService​​: 继承自Executor，它提供管理终止的方法，以及可以产生Future的方法，用于跟踪一个或多个异步任务的进度。
• ​​AbstractExecutorService​​: 提供ExecutorService执行方法的默认实现。
• ​​ThreadPoolExecutor​​: 线程池类本类，实现了线程池的核心逻辑。
• ​​Worker​​: ThreadPoolExecutor的内部类，工作线程类，继承自 AQS。
• ​​*Policy​​: 其他Policy结尾的都是内置的决策策略类。

关键成员变量

1. 线程池的状态信息和线程数量信息(ctl)相关

• 线程的状态信息和数量信息用同一个int的原子变量存储，高3位存储状态信息，低29位存储线程数量。

// ctl，原子变量，存储状态和线程数量，初始化运行状态+0
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 静态常量，表示线程数量存放的位数29=32-3
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// 线程数量最大的容量，低 COUNT_BITS 位所能表达的最大数值，000 11111111111111111111 => 5亿多
private static final int CAPACITY  = (1 << COUNT_BITS) - 1;
复制代码

• 通过位运算符设置各个状态的高三位值。

// 111 000000000000000000，转换成整数后其实就是一个【负数】
private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
// 000 000000000000000000
private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
// 001 000000000000000000
private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
// 010 000000000000000000
private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
// 011 000000000000000000
private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;
复制代码

• 从ctl中获取线程池的状态值

// ~CAPACITY = ~000 11111111111111111111 = 111 000000000000000000000（取反）
// &运算符，和1&是它本身，和0&就是0,就可以获得高位值。
private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
复制代码

• 从ctl中获取线程池的数量

// CAPACITY = 000 11111111111111111111
// &运算符，和1&是它本身，和0&就是0,就可以获得低29位
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
复制代码

• 生成ctl值

// rs 表示线程池状态，wc 表示当前线程池中 worker（线程）数量，相与以后就是合并后的状态
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
复制代码

• 比较当前线程池 ctl 所表示的状态

线程池状态值的大小关系：RUNNING < SHUTDOWN < STOP < TIDYING < TERMINATED

// 比较当前线程池 ctl 所表示的状态，是否小于某个状态 s
private static boolean runStateLessThan(int c, int s) { return c < s; }
// 比较当前线程池 ctl 所表示的状态，是否大于等于某个状态s
private static boolean runStateAtLeast(int c, int s) { return c >= s; }
// 小于 SHUTDOWN 的一定是 RUNNING，SHUTDOWN == 0
private static boolean isRunning(int c) { return c < SHUTDOWN; }
复制代码

• cas设置ctl的值

// 使用 CAS 方式 让 ctl 值 +1 ，成功返回 true, 失败返回 false
private boolean compareAndIncrementWorkerCount(int expect) {
    return ctl.compareAndSet(expect, expect + 1);
}
// 使用 CAS 方式 让 ctl 值 -1 ，成功返回 true, 失败返回 false
private boolean compareAndDecrementWorkerCount(int expect) {
    return ctl.compareAndSet(expect, expect - 1);
}
// 将 ctl 值减一，do while 循环会一直重试，直到成功为止
private void decrementWorkerCount() {
    do {} while (!compareAndDecrementWorkerCount(ctl.get()));
}
复制代码

2. 线程池中的队列

// 线程池用于保存任务并将任务传递给工作线程的队列
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
复制代码

3. 控制并发的锁

// 增加减少 worker 或者时修改线程池运行状态需要持有 mainLock
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
复制代码

4. 线程池中工作线程的集合

private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
复制代码

5. 线程池构造参数关系属性

// 核心线程数量
private volatile int corePoolSize;
// 线程池最大线程数量
private volatile int maximumPoolSize; 
// 空闲线程存活时间
private volatile long keepAliveTime;  
// 创建线程时使用的线程工厂，默认是 DefaultThreadFactory
private volatile ThreadFactory threadFactory; 
// 【超过核心线程提交任务就放入 阻塞队列】
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
// 拒绝策略
private volatile RejectedExecutionHandler handler;  
复制代码

6. 线程池监控相关属性

// 记录线程池生命周期内线程数最大值
private int largestPoolSize;  
// 记录线程池所完成任务总数，当某个 worker 退出时将完成的任务累加到该属性
private long completedTaskCount;  
复制代码

线程提交原理

线程池提交线程有多种方式如execute、submit或者invoke相关方法，我们重点关注在最基础的​​execute()​​方法提交任务，把它搞清楚了，其他的都不在话下。

1. ​​execute(Runnable command)​​方法是线程提交的入口方法。

//  ThreadPoolExecutor#execute
public void execute(Runnable command) {
        // 如果任务为空，直接抛空指针
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        // 获取ctl的值，其中高3位是状态信息，低3位是线程数量
        int c = ctl.get();
        // workerCountOf获取当前线程的数量
        // 当前线程数量小于核心线程数，调用addWorker创建一个工作线程
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            // 调用addWorker方法创建工作线程，直接执行任务。如果成功的话，直接结束方法。
            if (addWorker(command, true))
                return;
            // 由于并发等原因，addWorker添加失败，会走到这里，再次获取ctl的值
            c = ctl.get();
        }
        // 如果线程池是运行状态的话，就把任务加入到队列中
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            // 双重检查，因为从上次检查到进入此方法，线程池可能已成为SHUTDOWN状态
            int recheck = ctl.get();
            // 如果发现线程池不是运行状态的话，那就移除这个任务
            if (!isRunning(recheck) && remove(command))
                // 任务出队成功，走拒绝策略
                reject(command);
             // 执行到这说明线程池是 running 状态，获取线程池中的线程数量，判断是否是 0
             // 【担保机制】，保证线程池在 running 状态下，最起码得有一个线程在工作
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
        // 走到这里说明线程不是运行状态，或者就是队列满了，offer返回false
        // 再次调用addWoker创建新的线程，如果不成功(一般是超过了线程池最大线程数量),执行拒绝策略
        else if (!addWorker(command, false))
            // 执行拒绝策略
            reject(command);
    }
复制代码

这个方法是提交线程的主干逻辑：

1. 提交一个任务时，如果运行的线程少于corePoolSize，通过调用addWorker添加一个工作线程，直接开始运行。
2. 如果工作线程大于等于corePoolSize，并且前面addWorker失败时，需要将任务加入到队列中，加入成功后，做了一层双重校验，因为这个过程可能线程池状态发生变化了，如果已经关闭，那么要移除刚刚加入的这个任务。

3.如果加入队列失败，说明队列满了，这时候调用addWorker方法再次创建线程，如果返回false，有可能是超过最大线程数量了，那么就执行拒绝策略。

2. ​​addWorker​​方法也是一个很关键的方法, 添加线程到线程池，返回 true 表示创建 Worker 成功，且启动线程。

//  ThreadPoolExecutor#addWorker
// core == true 表示采用核心线程数量限制，false 表示采用 maximumPoolSize
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
     // 自旋【判断当前线程池状态是否允许创建线程】，允许就设置线程数量 + 1
    retry:
    for (;;) {
         // 获取 ctl 的值
        int c = ctl.get();
        // 获取当前线程池运行状态
        int rs = runStateOf(c);

         // 判断当前线程池状态【是否允许添加线程】

       // 如果线程池状态大于SHUTDOWN 或者是SHUTDOWN状态，队列是空了的话，都不允许创建新的线程
        if (rs >= SHUTDOWN &&
            ! (rs == SHUTDOWN &&
               firstTask == null &&
               ! workQueue.isEmpty()))
            // false，没有创建线程
            return false;
        // 再次自旋
        for (;;) {
            // 获取线程池中线程数量
            int wc = workerCountOf(c);
            // 如果线程数量超过阈值的话，返回false
            if (wc >= CAPACITY ||
                wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                return false;
          // 记录线程数量已经加 1，类比于申请到了一块令牌，条件失败说明其他线程修改了数量
            if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                // 申请成功，跳出了 retry 这个 for 自旋
                break retry;
             // CAS 失败，没有成功的申请到令牌
            c = ctl.get(); 
            // 判断当前线程池状态是否发生过变化，被其他线程修改了，可能其他线程调用了 shutdown() 方法
            if (runStateOf(c) != rs)
                // 重新回到retry的执行点
                continue retry;
            // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
        }
    }

    // 下面开始真正创建线程了
    // 运行标记，表示创建的 worker 是否已经启动，false未启动  true启动
    boolean workerStarted = false;
    // 添加标记，表示创建的 worker 是否添加到池子中了，默认false未添加，true是添加。
    boolean workerAdded = false;
    Worker w = null;
    try {
        //【创建 Worker，底层通过线程工厂 newThread 方法创建执行线程，指定了首先执行的任务】
        w = new Worker(firstTask);
        // 将新创建的 worker 节点中的线程赋值给 t
        final Thread t = w.thread;
        // 这里的判断为了防止 程序员自定义的 ThreadFactory 实现类有 bug，创造不出线程
        if (t != null) {
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            // 加互斥锁，要添加 worker 了
            mainLock.lock();
            try {
                 // 获取最新线程池运行状态
                int rs = runStateOf(ctl.get());
                // 判断线程池是否为RUNNING状态，不是再【判断当前是否为SHUTDOWN状态且firstTask为空，特殊情况】
                if (rs < SHUTDOWN ||
                    (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                     // 当线程start后，线程isAlive会返回true，这里还没开始启动线程，如果被启动了就需要报错
                    if (t.isAlive()) 
                        throw new IllegalThreadStateException();
                    //将新建的 Worker 添加到线程池中
                    workers.add(w);
                    int s = workers.size();
                    // 当前池中的线程数量是一个新高，更新 largestPoolSize
                    if (s > largestPoolSize)
                        largestPoolSize = s;
                     // 添加标记置为 true
                    workerAdded = true;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
             // 添加成功就【启动线程执行任务】
            if (workerAdded) {
                // 启动线程
                t.start();
                // 运行标记置为 true
                workerStarted = true;
            }
        }
    } finally {
        // 线程启动失败
        if (! workerStarted)
            // 清理工作，比如从线程池中移除。
            addWorkerFailed(w);
    }
    return workerStarted;
}

private void addWorkerFailed(Worker w) {
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    // 持有线程池全局锁，因为操作的是线程池相关的东西
    mainLock.lock();
    try {
        //条件成立需要将 worker 在 workers 中清理出去。
        if (w != null)
            workers.remove(w);
        // 将线程池计数 -1，相当于归还令牌。
        decrementWorkerCount();
        // 尝试停止线程池
        tryTerminate();
    } finally {
        //释放线程池全局锁。
        mainLock.unlock();
    }
}
复制代码

• 这里注意一个点，SHUTDOWN 状态也能添加线程，但是要求新加的 Woker 没有 firstTask，而且当前 queue 不为空，所以创建一个线程来帮助线程池执行队列中的任务。

Woker运行原理

Woker类是ThreadPoolExecutor类的内部类，见明知意，它是承担了一个“工人”干活，也就是工作线程的责任。

1. Worker类

每个 Worker 对象有一个初始任务，启动 Worker 时优先执行，这也是造成线程池不公平的原因。Worker 继承自 AQS，本身具有锁的特性，采用独占锁模式，state = 0 表示未被占用，> 0 表示被占用，< 0 表示初始状态不能被抢锁。

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable {
    // worker 内部封装的工作线程
    final Thread thread;        
    // worker 第一个执行的任务，普通的 Runnable 实现类或者是 FutureTask
    Runnable firstTask; 
    // 记录当前 worker 所完成任务数量
    volatile long completedTasks;   

    // 构造方法
    Worker(Runnable firstTask) {
        // 设置AQS独占模式为初始化中状态，这个状态不能被抢占锁
        setState(-1);
        // firstTask不为空时，当worker启动后，内部线程会优先执行firstTask，执行完后会到queue中去获取下个任务
        this.firstTask = firstTask;
        // 使用线程工厂创建一个线程，并且【将当前worker指定为Runnable】，所以thread启动时会调用 worker.run()
        this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
    }
    // 不可重入锁，重写了AQS中的方法
    protected boolean tryAcquire(int unused) {
        if (compareAndSetState(0, 1)) {
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            return true;
        }
        return false;
    }

 protected boolean tryRelease(int unused) {
        setExclusiveOwnerThread(null);
        // 设置state为0，开始抢锁
        setState(0);
        return true;
    }
}
复制代码

2. Worker的工作方法run

// Worker#run
public void run() {
    // 调用自身的runWoker方法
    runWorker(this);
}
复制代码

// Worker#runWorker
final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    // 获取 worker 的 firstTask
    Runnable task = w.firstTask;
    // 引用置空，【防止复用该线程时重复执行该任务】
    w.firstTask = null;
   // 初始化 worker 时设置 state = -1，表示不允许抢占锁
    // 这里需要设置 state = 0 和 exclusiveOwnerThread = null，开始独占模式抢锁
    w.unlock(); 
   // true 表示发生异常退出，false 表示正常退出。
    boolean completedAbruptly = true;
    try {
        // firstTask 不是 null 就直接运行，否则去 queue 中获取任务
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            // worker 加锁，shutdown 时会判断当前 worker 状态，【根据独占锁状态判断是否空闲】
            w.lock();
            // 说明线程池状态大于 STOP，目前处于 STOP/TIDYING/TERMINATION，此时给线程一个中断信号
            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                 (Thread.interrupted() &&
                  runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                // 线程不是处于中断的情况
                !wt.isInterrupted())
                 // 中断线程，设置线程的中断标志位为 true
                wt.interrupt();
            try {
                // 任务执行前的回调，空实现，可以在子类中自定义
                beforeExecute(wt, task);
                Throwable thrown = null;
                try {
                    // 真正执行任务
                    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 {
                     // 钩子方法，【任务执行的后置处理】
                    afterExecute(task, thrown);
                }
            } finally {
                // 将局部变量task置为null，代表任务执行完成
                task = null;
                // 更新worker完成任务数量
                w.completedTasks++;
                // 解锁
                w.unlock();
            }
        }
         // getTask()方法返回null时会走到这里，表示queue为空并且线程空闲超过保活时间，【当前线程执行退出逻辑】
        completedAbruptly = false;
    } finally {
        // 正常退出 completedAbruptly = false
         // 异常退出 completedAbruptly = true，【从 task.run() 内部抛出异常】时，跳到这一行
        processWorkerExit(w, completedAbruptly);
    }
}
复制代码

3. ​​getTask()​​获取任务

这个方法主要做了下面几件事情:

• 从阻塞队列中获取任务
• 如果当前线程空闲时间超过 keepAliveTime 就会被回收，主要通过调用队列的超时获取接口​​poll(long timeout, TimeUnit unit)​​实现。

private Runnable getTask() {
     // 超时标记，表示当前线程获取任务是否超时，true 表示已超时
    boolean timedOut = false; 

    for (;;) {
        int c = ctl.get();
         // 获取线程池当前运行状态
        int rs = runStateOf(c);

        // 如果发现线程池被关闭了，直接返回null
        if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
            // 使用 CAS 自旋的方式让 ctl 值 -1
            decrementWorkerCount();
            return null;
        }

        // 获取线程池中的线程数量
        int wc = workerCountOf(c);

        //timed用来判断当前线程是否超过一定时间没有获取任务就进行销毁回收，true是需要，false不需要， 有两种情况
        //1\. allowCoreThreadTimeOut为true代表允许回收核心线程，那就无所谓了，全部线程都执行超时回收
        //2\. 线程数量大于核心线程数，当前线程认为是非核心线程
        boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;

        // 同时满足下面1和2条件下，说明线程要回收，直接返回null
        // 1\. 如果线程数量超过最大线程数 或者 上面的timed和超时时间timedOut都为true
        if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
            // 2.如果线程数量大于1并且队列时空的情况
            && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
            // 使用 CAS 机制将 ctl 值 -1 ,减 1 成功的线程，返回 null，代表可以退出
            if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                return null;
            continue;
        }

        try {
            // 从队列中获取任务，有下面两种方法
            // timed为true, 调用超时方法poll获取任务
            // timed为false,调用阻塞方法take获取
            Runnable r = timed ?
                workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                workQueue.take();
            if (r != null)
                return r;
            获取任务为 null 说明超时了，将超时标记设置为 true，进入下一次循环，就可以销毁这个线程了
            timedOut = true;
        } catch (InterruptedException retry) {
             // 阻塞线程被打断后超时标记置为 false，【说明被打断不算超时】，要继续获取，直到超时或者获取到任务
            // 如果线程池 SHUTDOWN 状态下的打断，会在循环获取任务前判断，返回 null
            timedOut = false;
        }
    }
}
复制代码

4. processWorkerExit()工作线程退出方法

// 正常退出 completedAbruptly = false，异常退出为 true
private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
    // 条件成立代表当前 worker 是发生异常退出的，task 任务执行过程中向上抛出异常了
    if (completedAbruptly) 
        // 从异常时到这里 ctl 一直没有 -1，需要在这里 -1
        decrementWorkerCount();

    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    // 加锁
    mainLock.lock();
    try {
        // 将当前 worker 完成的 task 数量，汇总到线程池的 completedTaskCount
        completedTaskCount += w.completedTasks;
        // 将 worker 从线程池中移除
        workers.remove(w);
    } finally {
        mainLock.unlock();  // 解锁
    }
    // 尝试停止线程池，唤醒下一个线程
    tryTerminate();

    int c = ctl.get();
    // 线程池不是停止状态就应该有线程运行【担保机制】
    if (runStateLessThan(c, STOP)) {
        // 正常退出的逻辑，是对空闲线程回收，不是执行出错
        if (!completedAbruptly) {
            // 根据是否回收核心线程确定【线程池中的线程数量最小值】
            int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
            // 最小值为 0，但是线程队列不为空，需要一个线程来完成任务担保机制
            if (min == 0 && !workQueue.isEmpty())
                min = 1;
            // 线程池中的线程数量大于最小值可以直接返回
            if (workerCountOf(c) >= min)
                return;
        }
        // 执行 task 时发生异常，有个线程因为异常终止了，需要添加
        // 或者线程池中的数量小于最小值，这里要创建一个新 worker 加进线程池
        addWorker(null, false);
    }
}
复制代码

总结

本文主要从源码层面分析了线程池的运行机理，总算知道了execute方法背后是如何运转的。