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深入分析线程池的实现原理
内容导读
互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了深入分析线程池的实现原理，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含26498字，纯文字阅读大概需要38分钟。
内容图文
一、概述
线程池，顾名思义就是存放线程的池子，池子里存放了很多可以复用的线程。
如果不用类似线程池的容器，每当我们需要执行用户任务的时候都去创建新的线程，任务执行完之后线程就被回收了，这样频繁地创建和销毁线程会浪费大量的系统资源。
因此，线程池通过线程复用机制，并对线程进行统一管理，具有以下优点：
降低系统资源消耗。通过复用已存在的线程，降低线程创建和销毁造成的消耗；
提高响应速度。当有任务到达时，无需等待新线程的创建便能立即执行；
提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制的创建，不仅会消耗大量系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行对线程进行统一的分配、调优和监控。
ThreadPoolExecutor是线程池框架的一个核心类，本文通过对ThreadPoolExecutor源码的分析（基于JDK 1.8），来深入分析线程池的实现原理。
二、ThreadPoolExecutor类的属性
先从ThreadPoolExecutor类中的字段开始：
// 线程池的控制状态,用高3位来表示线程池的运行状态,低29位来表示线程池中工作线程的数量
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
//值为29,用来表示偏移量
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
//线程池的最大容量,其值的二进制为:00011111111111111111111111111111（29个1）
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// 线程池的运行状态，总共有5个状态，用高3位来表示
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;
//任务缓存队列，用来存放等待执行的任务
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
//全局锁，对线程池状态等属性修改时需要使用这个锁
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
//线程池中工作线程的集合，访问和修改需要持有全局锁
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
// 终止条件
private final Condition termination = mainLock.newCondition();
//线程池中曾经出现过的最大线程数
private int largestPoolSize;
//已完成任务的数量
private long completedTaskCount;
//线程工厂
private volatile ThreadFactory threadFactory;
//任务拒绝策略
private volatile RejectedExecutionHandler handler;
//线程存活时间
private volatile long keepAliveTime;
//是否允许核心线程超时
private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;
//核心池大小，若allowCoreThreadTimeOut被设置，核心线程全部空闲超时被回收的情况下会为0
private volatile int corePoolSize;
//最大池大小，不得超过CAPACITY
private volatile int maximumPoolSize;
//默认的任务拒绝策略
private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler =
new AbortPolicy();
private static final RuntimePermission shutdownPerm =
new RuntimePermission("modifyThread");
private final AccessControlContext acc;
在ThreadPoolExecutor类的这些属性中，线程池状态是控制线程池生命周期至关重要的属性，这里就以线程池状态为出发点进行研究。
通过上面的源码可知，线程池的运行状态总共有5种，其值和含义分别如下：
RUNNING: 高3位为111，接受新任务并处理阻塞队列中的任务
SHUTDOWN: 高3位为000，不接受新任务但会处理阻塞队列中的任务
STOP:高3位为001，不会接受新任务，也不会处理阻塞队列中的任务，并且中断正在运行的任务
TIDYING: 高3位为010，所有任务都已终止，工作线程数量为0，线程池将转化到TIDYING状态，即将要执行terminated()钩子方法
TERMINATED: 高3位为011，terminated()方法已经执行结束
然而，线程池中并没有使用单独的变量来表示线程池的运行状态，而是使用一个AtomicInteger类型的变量ctl来表示线程池的控制状态，其将线程池运行状态与工作线程的数量打包在一个整型中，用高3位来表示线程池的运行状态,低29位来表示线程池中工作线程的数量，对ctl的操作主要参考以下几个函数：
// 通过与的方式，获取ctl的高3位，也就是线程池的运行状态
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
//通过与的方式，获取ctl的低29位，也就是线程池中工作线程的数量
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
//通过或的方式，将线程池状态和线程池中工作线程的数量打包成ctl
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
//SHUTDOWN状态的值是0，比它大的均是线程池停止或清理状态，比它小的是运行状态
private static boolean isRunning(int c) {
return c < SHUTDOWN;
}
接下来，我们看一下线程池状态的所有转换情况，如下：
RUNNING -> SHUTDOWN：调用shutdown()，可能在finalize()中隐式调用
(RUNNING or SHUTDOWN) -> STOP：调用shutdownNow()
SHUTDOWN -> TIDYING：当缓存队列和线程池都为空时
STOP -> TIDYING：当线程池为空时
TIDYING -> TERMINATED：当terminated()方法执行结束时
通常情况下，线程池有如下两种状态转换流程：
RUNNING -> SHUTDOWN -> TIDYING -> TERMINATED
RUNNING -> STOP -> TIDYING -> TERMINATED
三、ThreadPoolExecutor类的构造方法
通常情况下，我们使用线程池的方式就是new一个ThreadPoolExecutor对象来生成一个线程池。接下来，先看ThreadPoolExecutor类的构造函数：
//间接调用最后一个构造函数，采用默认的任务拒绝策略AbortPolicy和默认的线程工厂
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue);
//间接调用最后一个构造函数，采用默认的任务拒绝策略AbortPolicy
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory);
//间接调用最后一个构造函数，采用默认的默认的线程工厂
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
RejectedExecutionHandler handler);
//前面三个分别调用了最后一个，主要的构造函数
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler);
接下来，看下最后一个构造函数的具体实现：
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
//参数合法性校验
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
//参数合法性校验
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.acc = System.getSecurityManager() == null ?
null :
AccessController.getContext();
//初始化对应的属性
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}
下面解释下一下构造器中各个参数的含义：
- corePoolSize
线程池中的核心线程数。当提交一个任务时，线程池创建一个新线程执行任务，直到当前线程数等于corePoolSize；如果当前线程数为corePoolSize，继续提交的任务被保存到阻塞队列中，等待被执行。
- maximumPoolSize
线程池中允许的最大线程数。如果当前阻塞队列满了，且继续提交任务，则创建新的线程执行任务，前提是当前线程数小于maximumPoolSize。
- keepAliveTime
线程空闲时的存活时间。默认情况下，只有当线程池中的线程数大于corePoolSize时，keepAliveTime才会起作用，如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime，则会终止，直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。但是如果调用了allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法，keepAliveTime参数也会起作用，直到线程池中的线程数为0。
- unit
keepAliveTime参数的时间单位。
- workQueue
任务缓存队列，用来存放等待执行的任务。如果当前线程数为corePoolSize，继续提交的任务就会被保存到任务缓存队列中，等待被执行。
一般来说，这里的BlockingQueue有以下三种选择：
SynchronousQueue：
一个不存储元素的阻塞队列，每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态。
因此，如果线程池中始终没有空闲线程（任务提交的平均速度快于被处理的速度），可能出现无限制的线程增长。
LinkedBlockingQueue：
基于链表结构的阻塞队列，如果不设置初始化容量，其容量为Integer.MAX_VALUE，即为无界队列。
因此，如果线程池中线程数达到了corePoolSize，且始终没有空闲线程（任务提交的平均速度快于被处理的速度），任务缓存队列可能出现无限制的增长。
ArrayBlockingQueue：基于数组结构的有界阻塞队列，按FIFO排序任务。
- threadFactory
线程工厂，创建新线程时使用的线程工厂。
- handler
任务拒绝策略，当阻塞队列满了，且线程池中的线程数达到maximumPoolSize，如果继续提交任务，就会采取任务拒绝策略处理该任务，线程池提供了4种任务拒绝策略：
AbortPolicy：丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常，默认策略；
CallerRunsPolicy：由调用execute方法的线程执行该任务；
DiscardPolicy：丢弃任务，但是不抛出异常;
DiscardOldestPolicy：丢弃阻塞队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）。
当然也可以根据应用场景实现RejectedExecutionHandler接口，自定义饱和策略，如记录日志或持久化存储不能处理的任务。
四、线程池的实现原理
- 提交任务
线程池框架提供了两种方式提交任务，submit()和execute()，通过submit()方法提交的任务可以返回任务执行的结果，通过execute()方法提交的任务不能获取任务执行的结果。
submit()方法的实现有以下三种：
public Future<?> submit(Runnable task);
public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task);
下面以第一个方法为例简单看一下submit()方法的实现：
public Future<?> submit(Runnable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
execute(ftask);
return ftask;
}
submit()方法是在ThreadPoolExecutor的父类AbstractExecutorService类实现的，最终还是调用的ThreadPoolExecutor类的execute()方法，下面着重看一下execute()方法的实现。
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
//获取线程池控制状态
int c = ctl.get();
// (1)
//worker数量小于corePoolSize
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
//创建worker,addWorker方法boolean参数用来判断是否创建核心线程
if (addWorker(command, true))
//成功则返回
return;
//失败则再次获取线程池控制状态
c = ctl.get();
}
//(2)
//线程池处于RUNNING状态，将任务加入workQueue任务缓存队列
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
// 再次检查，获取线程池控制状态，防止在任务入队的过程中线程池关闭了或者线程池中没有线程了
int recheck = ctl.get();
//线程池不处于RUNNING状态，且将任务从workQueue移除成功
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
//采取任务拒绝策略
reject(command);
//worker数量等于0
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
//创建worker
addWorker(null, false);
}
//(3)
else if (!addWorker(command, false)) //创建worker
reject(command); //如果创建worker失败，采取任务拒绝策略
}
execute()方法的执行流程可以总结如下：
若线程池工作线程数量小于corePoolSize,则创建新线程来执行任务
若工作线程数量大于或等于corePoolSize,则将任务加入BlockingQueue
若无法将任务加入BlockingQueue(BlockingQueue已满),且工作线程数量小于maximumPoolSize,则创建新的线程来执行任务
若工作线程数量达到maximumPoolSize,则创建线程失败,采取任务拒绝策略
可以结合下面的两张图来理解线程池提交任务的执行流程。
2. 创建线程
从execute()方法的实现可以看出，addWorker()方法主要负责创建新的线程并执行任务，代码实现如下：
//addWorker有两个参数:Runnable类型的firstTask,用于指定新增的线程执行的第一个任务;boolean类型的core,表示是否创建核心线程
//该方法的返回值代表是否成功新增一个线程
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// (1)
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
//线程数超标，不能再创建线程，直接返回
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
//CAS操作递增workCount
//如果成功，那么创建线程前的所有条件校验都满足了，准备创建线程执行任务，退出retry循环
//如果失败，说明有其他线程也在尝试往线程池中创建线程(往线程池提交任务可以是并发的)，则继续往下执行
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
//重新获取线程池控制状态
c = ctl.get();
// 如果线程池的状态发生了变更,如有其他线程关闭了这个线程池,那么需要回到外层的for循环
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
//如果只是CAS操作失败的话，进入内层的for循环就可以了
}
}
//到这里，创建线程前的所有条件校验都满足了，可以开始创建线程来执行任务
//worker是否已经启动
boolean workerStarted = false;
//是否已将这个worker添加到workers这个HashSet中
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
//创建一个worker，从这里可以看出对线程的包装
w = new Worker(firstTask);
//取出worker中的线程对象,Worker的构造方法会调用ThreadFactory来创建一个新的线程
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
//获取全局锁, 并发的访问线程池workers对象必须加锁,持有锁的期间线程池也不会被关闭
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
//重新获取线程池的运行状态
int rs = runStateOf(ctl.get());
//小于SHUTTDOWN即RUNNING
//等于SHUTDOWN并且firstTask为null,不接受新的任务,但是会继续执行等待队列中的任务
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
//worker里面的thread不能是已启动的
if (t.isAlive())
throw new IllegalThreadStateException();
//将新创建的线程加入到线程池中
workers.add(w);
int s = workers.size();
// 更新largestPoolSize
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
//线程添加线程池成功，则启动新创建的线程
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
//若线程启动失败,做一些清理工作,例如从workers中移除新添加的worker并递减wokerCount
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
//返回线程是否启动成功
return workerStarted;
}
因为代码(1)处的逻辑不利于理解，我们通过(1)的等价实现来理解:
if (rs>=SHUTDOWN && !(rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty()))
//等价实现
rs>=SHUTDOWN && (rs != SHUTDOWN || firstTask != null || workQueue.isEmpty())
其含义为,满足下列条件之一则直接返回false，线程创建失败:
rs > SHUTDOWN,也就是STOP,TIDYING或TERMINATED，此时不再接受新的任务，且中断正在执行的任务
rs = SHUTDOWN且firstTask != null，此时不再接受任务，但是仍会处理任务缓存队列中的任务
rs = SHUTDOWN，队列为空
多说一句，若线程池处于 SHUTDOWN， firstTask 为 null，且 workQueue 非空，那么还得创建线程继续处理任务缓存队列中的任务。
总结一下，addWorker()方法完成了如下几件任务：
-
原子性的增加workerCount
-
将用户给定的任务封装成为一个worker，并将此worker添加进workers集合中
-
启动worker对应的线程
-
若线程启动失败，回滚worker的创建动作，即从workers中移除新添加的worker，并原子性的减少workerCount
-
工作线程的实现
从addWorker()方法的实现可以看出，工作线程的创建和启动都跟ThreadPoolExecutor中的内部类Worker有关。下面我们分析Worker类来看一下工作线程的实现。
Worker类继承自AQS类，具有锁的功能；实现了Runable接口，可以将自身作为一个任务在线程中执行。
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable
Worker的主要字段就下面三个，代码也比较简单。
//用来封装worker的线程，线程池中真正运行的线程,通过线程工厂创建而来
final Thread thread;
//worker所对应的第一个任务，可能为空
Runnable firstTask;
//记录当前线程完成的任务数
volatile long completedTasks;
Worker的构造函数如下。
Worker(Runnable firstTask) {
//设置AQS的state为-1，在执行runWorker()方法之前阻止线程中断
setState(-1);
//初始化第一个任务
this.firstTask = firstTask;
//利用指定的线程工厂创建一个线程，注意，参数是Worker实例本身this
//也就是当执行start方法启动线程thread时，真正执行的是Worker类的run方法
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
Worker类继承了AQS类，重写了其相应的方法，实现了一个自定义的同步器，实现了不可重入锁。
//是否持有独占锁
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() != 0;
}
//尝试获取锁
protected boolean tryAcquire(int unused) {
if (compareAndSetState(0, 1)) {
//设置独占线程
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
//尝试释放锁
protected boolean tryRelease(int unused) {
//设置独占线程为null
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
//获取锁
public void lock() { acquire(1); }
//尝试获取锁
public boolean tryLock() { return tryAcquire(1); }
//释放锁
public void unlock() { release(1); }
//是否持有锁
public boolean isLocked() { return isHeldExclusively();
Worker类还提供了一个中断线程thread的方法。
void interruptIfStarted() {
Thread t;
//AQS状态大于等于0，worker对应的线程不为null，且该线程没有被中断
if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) {
try {
t.interrupt();
} catch (SecurityException ignore) {
}
}
}
再来看一下Worker类的run()方法的实现，会发现run()方法最终调用了ThreadPoolExecutor类的runWorker()方法。
public void run() {
runWorker(this);
}
- 线程复用机制
通过上文可以知道，worker中的线程start 后，执行的是worker的run()方法，而run()方法最终会调用ThreadPoolExecutor类的runWorker()方法，runWorker()方法实现了线程池中的线程复用机制。下面我们来看一下runWorker()方法的实现。
final void runWorker(Worker w) {
//获取当前线程
Thread wt = Thread.currentThread();
//获取w的firstTask
Runnable task = w.firstTask;
//设置w的firstTask为null
w.firstTask = null;
// 释放锁，设置AQS的state为0，允许中断
w.unlock();
//用于标识线程是否异常终止，finally中processWorkerExit()方法会有不同逻辑
boolean completedAbruptly = true;
try {
//循环调用getTask()获取任务,不断从任务缓存队列获取任务并执行
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
//进入循环内部，代表已经获取到可执行的任务，则对worker对象加锁，保证线程在执行任务过程中不会被中断
w.lock();
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) || //若线程池状态大于等于STOP，那么意味着该线程要中断
(Thread.interrupted() && //线程被中断
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) && //且是因为线程池内部状态变化而被中断
!wt.isInterrupted()) //确保该线程未被中断
//发出中断请求
wt.interrupt();
try {
//开始执行任务前的Hook方法
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
//到这里正式开始执行任务
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 {
//执行任务后的Hook方法
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
//置空task，准备通过getTask()获取下一个任务
task = null;
//completedTasks递增
w.completedTasks++;
//释放掉worker持有的独占锁
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
//到这里，线程执行结束，需要执行结束线程的一些清理工作
//线程执行结束可能有两种情况：
//1.getTask()返回null，也就是说，这个worker的使命结束了，线程执行结束
//2.任务执行过程中发生了异常
//第一种情况，getTask()返回null，那么getTask()中会将workerCount递减
//第二种情况，workerCount没有进行处理，这个递减操作会在processWorkerExit()中处理
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
runWorker()方法是线程池的核心，实现了线程池中的线程复用机制，来看一下
runWorker()方法都做了哪些工作：
-
运行第一个任务firstTask之后，循环调用getTask()方法获取任务,不断从任务缓存队列获取任务并执行；
-
获取到任务之后就对worker对象加锁，保证线程在执行任务的过程中不会被中断，任务执行完会释放锁；
-
在执行任务的前后，可以根据业务场景重写beforeExecute()和afterExecute()等Hook方法；
-
执行通过getTask()方法获取到的任务
-
线程执行结束后，调用processWorkerExit()方法执行结束线程的一些清理工作
从runWorker()方法的实现可以看出，runWorker()方法中主要调用了getTask()方法和processWorkerExit()方法，下面分别看一下这两个方法的实现。
getTask()的实现
getTask()方法用来不断地从任务缓存队列获取任务并交给线程执行，下面分析一下其实现。
private Runnable getTask() {
//标识当前线程是否超时未能获取到task对象
boolean timedOut = false;
for (;;) {
//获取线程池的控制状态
int c = ctl.get();
//获取线程池的运行状态
int rs = runStateOf(c);
//如果线程池状态大于等于STOP，或者处于SHUTDOWN状态，并且阻塞队列为空，线程池工作线程数量递减，方法返回null，回收线程
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
//获取worker数量
int wc = workerCountOf(c);
//标识当前线程在空闲时，是否应该超时回收
// 如果allowCoreThreadTimeOut为ture，或当前线程数大于核心池大小，则需要超时回收
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
//如果worker数量大于maximumPoolSize(有可能调用了 setMaximumPoolSize(),导致worker数量大于maximumPoolSize)
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) //或者获取任务超时
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { //workerCount大于1或者阻塞队列为空（在阻塞队列不为空时，需要保证至少有一个工作线程）
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
//线程池工作线程数量递减，方法返回null，回收线程
return null;
//线程池工作线程数量递减失败，跳过剩余部分，继续循环
continue;
}
try {
//如果允许超时回收，则调用阻塞队列的poll()，只在keepAliveTime时间内等待获取任务，一旦超过则返回null
//否则调用take()，如果队列为空，线程进入阻塞状态，无限时等待任务，直到队列中有可取任务或者响应中断信号退出
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
//若task不为null，则返回成功获取的task对象
if (r != null)
return r;
// 若返回task为null，表示线程空闲时间超时，则设置timeOut为true
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
//如果此worker发生了中断，采取的方案是重试，没有超时
//在哪些情况下会发生中断？调用setMaximumPoolSize()，shutDown()，shutDownNow()
timedOut = false;
}
}
}
接下来总结一下getTask()方法会在哪些情况下返回：
-
线程池处于RUNNING状态，阻塞队列不为空，返回成功获取的task对象
-
线程池处于SHUTDOWN状态，阻塞队列不为空，返回成功获取的task对象
-
线程池状态大于等于STOP，返回null，回收线程
-
线程池处于SHUTDOWN状态，并且阻塞队列为空，返回null，回收线程
-
worker数量大于maximumPoolSize，返回null，回收线程
-
线程空闲时间超时，返回null，回收线程
processWorkerExit()的实现
processWorkerExit()方法负责执行结束线程的一些清理工作，下面分析一下其实现。
private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
//如果用户任务执行过程中发生了异常，则需要递减workerCount
if (completedAbruptly)
decrementWorkerCount();
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
//获取全局锁
mainLock.lock();
try {
//将worker完成任务的数量累加到总的完成任务数中
completedTaskCount += w.completedTasks;
//从workers集合中移除该worker
workers.remove(w);
} finally {
//释放锁
mainLock.unlock();
}
//尝试终止线程池
tryTerminate();
//获取线程池控制状态
int c = ctl.get();
if (runStateLessThan(c, STOP)) { //线程池运行状态小于STOP
if (!completedAbruptly) { //如果用户任务执行过程中发生了异常，则直接调用addWorker()方法创建线程
//是否允许核心线程超时
int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
//允许核心超时并且workQueue阻塞队列不为空，那线程池中至少有一个工作线程
if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())
min = 1;
//如果工作线程数量workerCount大于等于核心池大小corePoolSize，
//或者允许核心超时并且workQueue阻塞队列不为空时，线程池中至少有一个工作线程，直接返回
if (workerCountOf(c) >= min)
return;
//若不满足上述条件，则调用addWorker()方法创建线程
}
//创建新的线程取代当前线程
addWorker(null, false);
}
}
processWorkerExit()方法中主要调用了tryTerminate()方法，下面看一下tryTerminate()方法的实现。
final void tryTerminate() {
for (;;) {
//获取线程池控制状态
int c = ctl.get();
if (isRunning(c) || //线程池的运行状态为RUNNING
runStateAtLeast(c, TIDYING) || //线程池的运行状态大于等于TIDYING
(runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty())) //线程池的运行状态为SHUTDOWN且阻塞队列不为空
//不能终止，直接返回
return;
//只有当线程池的运行状态为STOP，或线程池运行状态为SHUTDOWN且阻塞队列为空时，可以执行到这里
//如果线程池工作线程的数量不为0
if (workerCountOf(c) != 0) {
//仅仅中断一个空闲的worker
interruptIdleWorkers(ONLY_ONE);
return;
}
//只有当线程池工作线程的数量为0时可以执行到这里
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
//获取全局锁
mainLock.lock();
try {
if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) { //CAS操作设置线程池运行状态为TIDYING，工作线程数量为0
try {
//执行terminated()钩子方法
terminated();
} finally {
//设置线程池运行状态为TERMINATED，工作线程数量为0
ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));
//唤醒在termination条件上等待的所有线程
termination.signalAll();
}
return;
}
} finally {
//释放锁
mainLock.unlock();
}
//若CAS操作失败则重试
}
}
tryTerminate()方法的作用是尝试终止线程池，它会在所有可能终止线程池的地方被调用，满足终止线程池的条件有两个：首先，线程池状态为STOP,或者为SHUTDOWN且任务缓存队列为空；其次，工作线程数量为0。
满足了上述两个条件之后，tryTerminate()方法获取全局锁，设置线程池运行状态为TIDYING，之后执行terminated()钩子方法，最后设置线程池状态为TERMINATED。
至此，线程池运行状态变为TERMINATED，工作线程数量为0，workers已清空，且workQueue也已清空，所有线程都执行结束，线程池的生命周期到此结束。
- 关闭线程池
关闭线程池有两个方法，shutdown()和shutdownNow()，下面分别看一下这两个方法的实现。
shutdown()的实现
shutdown()方法将线程池运行状态设置为SHUTDOWN，此时线程池不会接受新的任务，但会处理阻塞队列中的任务。
public void shutdown() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
//获取全局锁
mainLock.lock();
try {
//检查shutdown权限
checkShutdownAccess();
//设置线程池运行状态为SHUTDOWN
advanceRunState(SHUTDOWN);
//中断所有空闲worker
interruptIdleWorkers();
//用onShutdown()钩子方法
onShutdown();
} finally {
//释放锁
mainLock.unlock();
}
//尝试终止线程池
tryTerminate();
}
shutdown()方法首先会检查是否具有shutdown的权限，然后设置线程池的运行状态为SHUTDOWN，之后中断所有空闲的worker，再调用onShutdown()钩子方法，最后尝试终止线程池。
shutdown()方法调用了interruptIdleWorkers()方法中断所有空闲的worker，其实现如下。
private void interruptIdleWorkers() {
interruptIdleWorkers(false);
}
//onlyOne标识是否只中断一个线程
private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
//获取全局锁
mainLock.lock();
try {
//遍历workers集合
for (Worker w : workers) {
//worker对应的线程
Thread t = w.thread;
//线程未被中断且成功获得锁
if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) {
try {
//发出中断请求
t.interrupt();
} catch (SecurityException ignore) {
} finally {
//释放锁
w.unlock();
}
}
//若只中断一个线程，则跳出循环
if (onlyOne)
break;
}
} finally {
//释放锁
mainLock.unlock();
}
}
shutdownNow()的实现
shutdownNow()方法将线程池运行状态设置为STOP，此时线程池不会接受新任务，也不会处理阻塞队列中的任务，并且中断正在运行的任务。
public List<Runnable> shutdownNow() {
List<Runnable> tasks;
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
//获取全局锁
mainLock.lock();
try {
//检查shutdown权限
checkShutdownAccess();
//设置线程池运行状态为STOP
advanceRunState(STOP);
//中断所有worker
interruptWorkers();
//将任务缓存队列中等待执行的任务取出并放到list中
tasks = drainQueue();
} finally {
//释放锁
mainLock.unlock();
}
//尝试终止线程池
tryTerminate();
//返回任务缓存队列中等待执行的任务列表
return tasks;
}
shutdownNow()方法与shutdown()方法相似，不同之处在于，前者设置线程池的运行状态为STOP，之后中断所有的worker(并非只是空闲的worker)，尝试终止线程池之后，返回任务缓存队列中等待执行的任务列表。
shutdownNow()方法调用了interruptWorkers()方法中断所有的worker(并非只是空闲的worker)，其实现如下。
private void interruptWorkers() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
//获取全局锁
mainLock.lock();
try {
//遍历workers集合
for (Worker w : workers)
//调用Worker类的interruptIfStarted()方法中断线程
w.interruptIfStarted();
} finally {
//释放锁
mainLock.unlock();
}
}
五、总结
至此，我们已经阅读了线程池框架的核心类ThreadPoolExecutor类的大部分源码，由衷地赞叹这个类很多地方设计的巧妙之处：
将线程池的运行状态和工作线程数量打包在一起，并使用了大量的位运算
使用CAS操作更新线程控制状态ctl，确保对ctl的更新是原子操作
内部类Worker类继承了AQS，实现了一个自定义的同步器，实现了不可重入锁
使用while循环自旋地从任务缓存队列中获取任务并执行，实现了线程复用机制
调用interrupt()方法中断线程，但注意该方法并不能直接中断线程的运行，只是发出了中断信号，配合BlockingQueue的take()，poll()方法的使用，打断线程的阻塞状态
其实，线程池的本质就是生产者消费者模式，线程池的调用者不断向线程池提交任务，线程池里面的工作线程不断获取这些任务并执行(从任务缓存队列获取任务或者直接执行任务)。
读完本文，相信大家对线程池的实现原理有了深刻的认识，比如向线程池提交一个任务之后线程池的执行流程，一个任务从被提交到被执行会经历哪些过程，一个工作线程从被创建到正常执行到执行结束的执行过程，等等。
内容总结
以上是互联网集市为您收集整理的深入分析线程池的实现原理全部内容，希望文章能够帮你解决深入分析线程池的实现原理所遇到的程序开发问题。 如果觉得互联网集市技术教程内容还不错，欢迎将互联网集市网站推荐给程序员好友。
内容备注
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