概述
线程池的好处和使用本篇文章就不赘叙了，不了解的可以参考下面两篇文章：
那么本文重点是从源码层面理解jdk8中线程池的实现。
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：
- 主线程调用execute、或者submit等方法提交任务给线程池。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
| 状态 | 高3位值 | 说明 |
| RUNNING | 111 | 运行状态，线程池被创建后的初始状态，能接受新提交的任务，也能处理阻塞队列中的任务。 |
| SHUTDOWN | 000 | 关闭状态，不再接受新提交的任务，但任可以处理阻塞队列中的任务。 |
| STOP | 001 | 停止状态，会中断正在处理的线程，不能接受新提交的任务，也不会处理阻塞队列中的任务。 |
| TIDYING | 010 | 所有任务都已经终止，有效工作线程为0。 |
| TERMINATED | 011 | 终止状态，线程池彻底终止。 |
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
- 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;
- 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;
- 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; }
- 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; }
- 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; }
- 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; }
- 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())); }
- 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;
- 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();
- 线程池中工作线程的集合
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
- 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;
- 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;
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。
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); }
这个方法是提交线程的主干逻辑：
- 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。
- 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。
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(); } }
- 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。
- 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; } }
- Worker的工作方法run
// Worker#run public void run() { // 调用自身的runWoker方法 runWorker(this); }
// 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); } }
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; } } }
- 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); } }
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。
