面试官: 有了解过线程池的工作原理吗？说说看-阿里云开发者社区

前言

目前正在出一个Java多线程专题长期系列教程，从入门到进阶含源码解读, 篇幅会较多, 喜欢的话，给个关注❤️ ~

本节主要带大家从ThreadPoolExecutor源码角度来了解一下线程池的工作原理,一起来看下吧~

Executor 接口

首先Executor这个接口是线程池实现的顶层接口类，我们上节遇到的

ExecutorService也是继承了Executor

public interface ExecutorService extends Executor {...}
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ExecutorService的上层AbstractExecutorService这个抽象类实现了接口ExecutorService

public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {...}
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ThreadPoolExecutor继承了AbstractExecutorService

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {...}
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ThreadPoolExecutor这个类我们需要重点看一下，它是接口的实现类,我们以newCachedThreadPool为例

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());
    }
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可以看到内部其实还是调用了ThreadPoolExecutor,我们再看newFixedThreadPool

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    }
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内部也是调了它, 下面我们就看下这个类

ThreadPoolExecutor

首先我们从构造函数看起，它主要有四个构造函数

构造函数一

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
    }
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一共有五个参数:

corePoolSize - 保留在池中的线程数，即使是空闲的，除非设置allowCoreThreadTimeOut
maximumPoolSize – 池中允许的最大线程数
keepAliveTime – 当线程数大于核心时，这是多余的空闲线程在终止前等待新任务的最长时间。
unit – keepAliveTime参数的时间单位
workQueue – 用于在执行任务之前保存任务的队列。此队列将仅保存由execute方法提交的Runnable任务。

构造函数二

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             threadFactory, defaultHandler);
    }
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其它参数同上

threadFactory 执行器创建新线程时使用的工厂

构造函数三

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
        this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             Executors.defaultThreadFactory(), handler);
    }
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handler 由于达到线程边界和队列容量而阻塞执行时使用的处理程序

构造函数四

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.acc = System.getSecurityManager() == null ?
                null :
                AccessController.getContext();
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
    }
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这个把之前都综合了一下,其实可以看到前几个内部都调用了this,调用自身，也就是调用这个构造函数，进行一些初始化

BlockingQueue 阻塞队列

有几个参数比较好理解，我们来看下这个参数workQueue, 它是一个阻塞队列，这里简要给大家提一下，这块内容也比较重要，后边会专门去讲

BlockingQueue本身是一个还接口，它有几个比较常用的阻塞队列

LinkedBlockingQueue 链式阻塞队列，底层数据结构是链表
ArrayBlockingQueue 数组阻塞队列，底层数据结构是数组，需要指定队列的大小。
SynchronousQueue 同步队列，内部容量为0，每个put操作必须等待一个take操作
DelayQueue 延迟队列，该队列中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素

ThreadFactory 线程工厂

这个是线程工厂类，统一在创建线程时设置一些参数，如是否守护线程、线程的优先级等, 同样它也是一个接口，我们在ThreadPoolExecutor内部看到了 Executors.defaultThreadFactory(),这个是一个默认工厂

static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
        private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
        private final ThreadGroup group;
        private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
        private final String namePrefix;
        DefaultThreadFactory() {
            SecurityManager s = System.getSecurityManager();
            group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
                                  Thread.currentThread().getThreadGroup();
            namePrefix = "pool-" +
                          poolNumber.getAndIncrement() +
                         "-thread-";
        }
        public Thread newThread(Runnable r) {
            Thread t = new Thread(group, r,
                                  namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
                                  0);
            if (t.isDaemon())
                t.setDaemon(false);
            if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
                t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
            return t;
        }
    }
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没有指定参数，就会默认创建DefaultThreadFactory，还有其它的factory，大家可以自行看下，区别就在创建线程时指定的参数

RejectedExecutionHandler 拒绝策略

RejectedExecutionHandler同样是一个接口，这个处理器是用来专门处理拒绝的任务，也就是ThreadPoolExecutor无法处理的程序。同理，我们可以看到ThreadPoolExecutor内部有调了defaultHandler

private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler =
        new AbortPolicy();
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这个是默认的拒绝策略, 可以看到它的默认处理是抛出拒绝的异常

public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
        /**
         * Creates an {@code AbortPolicy}.
         */
        public AbortPolicy() { }
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
                                                 " rejected from " +
                                                 e.toString());
        }
    }
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再带大家看下另外的策略, DiscardPolicy,这个策略不会抛出异常，它会丢弃这个任务

public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {
        /**
         * Creates a {@code DiscardPolicy}.
         */
        public DiscardPolicy() { }
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
        }
    }
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DiscardOldestPolicy 该策略丢弃最旧的未处理请求，然后重试execute ，除非执行程序被关闭，在这种情况下任务被丢弃。

public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {
        /**
         * Creates a {@code DiscardOldestPolicy} for the given executor.
         */
        public DiscardOldestPolicy() { }
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            // 判断是否关闭
            if (!e.isShutdown()) {
                e.getQueue().poll();
                // 任务重试
                e.execute(r);
            }
        }
    }
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CallerRunsPolicy 直接在execute方法的调用线程中运行被拒绝的任务，除非执行程序已关闭，在这种情况下，任务将被丢弃。

public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {
        /**
         * Creates a {@code CallerRunsPolicy}.
         */
        public CallerRunsPolicy() { }
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            // 直接判断是否关闭 未关闭就执行
            if (!e.isShutdown()) {
                r.run();
            }
        }
    }
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线程调度策略

看完构造函数，下面看下它的一些常量

private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// runState is stored in the high-order bits
    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;
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通过变量名，我们大致知道是用来表示线程池的状态。线程池本身有一个调度线程，这个线程就是用于管理整个线程池的各种任务和事务，例如创建线程、销毁线程、任务队列管理、线程队列管理等等，所以它本身也有上面的状态值。

当线程池被创建后就会处于RUNNING状态, 主池控制状态ctl是一个原子整数

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
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调用shutdown()方法后处于SHUTDOWN状态，线程池不能接受新的任务，清除一些空闲worker,不会等待阻塞队列的任务完成。

public void shutdown() {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            checkShutdownAccess();
            advanceRunState(SHUTDOWN);
            interruptIdleWorkers();
            onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        tryTerminate();
    }
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另外，还有一个shutdownNow,调用后处于STOP状态，线程池不能接受新的任务，中断所有线程，阻塞队列中没有被执行的任务全部丢弃。此时，poolsize=0,阻塞队列的size也为0。

public List<Runnable> shutdownNow() {
        List<Runnable> tasks;
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            checkShutdownAccess();
            advanceRunState(STOP);
            // 中断所有线程
            interruptWorkers();
            // 将任务队列排空到一个新列表中 这里要注意下
            tasks = drainQueue();
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        tryTerminate();
        return tasks;
    }
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当所有的任务已终止，ctl记录的”任务数量”为0，线程池会变为TIDYING状态。接着会执行terminated()函数。

final void tryTerminate() {
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            if (isRunning(c) ||
                runStateAtLeast(c, TIDYING) ||
                (runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty()))
                return;
             // 不等于0时  中断任务线程
            if (workerCountOf(c) != 0) { // Eligible to terminate
                interruptIdleWorkers(ONLY_ONE);
                return;
            }
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
                // 将状态设置为 TIDYING
                if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {
                    try {
                        // 终止 
                        terminated();
                    } finally {
                        // 执行完  terminated 转为 TERMINATED状态
                        ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));
                        termination.signalAll();
                    }
                    return;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
            // else retry on failed CAS
        }
    }
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execute

这个是执行任务的核心方法,我们一起看一下

public void execute(Runnable command) {
        // 如果任务不存在 抛空异常
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        // 获取当前状态值
        int c = ctl.get();
        // 当前线程数小于corePoolSize,则调用addWorker创建核心线程执行任务
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
        // 如果不小于corePoolSize，则将任务添加到workQueue队列。
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            int recheck = ctl.get();
            // 如果isRunning返回false(状态检查)，则remove这个任务，然后执行拒绝策略。
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
                // 线程池处于running状态，但是没有线程，则创建线程
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        }
        // 如果放入workQueue失败，则创建非核心线程执行任务，
        else if (!addWorker(command, false))
            // 如果这时创建失败，就会执行拒绝策略。
            reject(command);
    }
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在源码中，我们可以看到，多次进行了isRunning判断。在多线程的环境下，线程池的状态是多变的。很有可能刚获取线程池状态后线程池状态就改变了

总结

下面给大家简要的总结一下线程池的处理流程

线程总数量小于线程池中保留的线程数量(corePoolSize)，无论线程是否空闲，都会新建一个核心线程执行任务,这一步需要获取全局锁
线程总数量大于corePoolSize时，新来的线程任务会进入任务队列中等待，然后空闲的核心线程会依次去缓存队列中取任务来执行,从而达到线程的复用
当缓存队列满了，会创建非核心线程去执行这个任务。
缓存队列满了，且总线程数达到了maximumPoolSize，则会采取拒绝策略进行处理。

结束语

它的源码还是比较长的，一篇文章说不清楚，有兴趣的同学可以通过本篇文章的理解继续阅读它的源码。

下一节, 继续带大家详探讨ThreadPoolExecutor中是如何进行线程复用 ~

面试官: 有了解过线程池的工作原理吗？说说看

前言