当前位置 : 主页 > 编程语言 > java >

Java线程池源码深度解析

来源:互联网 收集:自由互联 发布时间:2022-10-26
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

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:

Java线程池源码深度解析_Java

  • 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

    Java线程池源码深度解析_java_02

    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

    Java线程池源码深度解析_工作线程_03

    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;
    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
  • 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
  • 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
  • 线程池中工作线程的集合
  • private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
    复制代码
  • 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
  • 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。

  • ​​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:

  • 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();
    }
    }
    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。

  • 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
  • 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
  • ​​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
  • 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。

    【文章出处:香港站群多ip服务器 http://www.558idc.com/hkzq.html提供,感恩】
    上一篇:Java线程池submit阻塞获取结果实现原理
    下一篇:没有了
    网友评论