线程池源码解析—工作原理与内部结构
工作原理
概述
- 线程池是线程的池子，本质上是通过单个线程执行多个并发任务，使得尽量少的创建线程，减少开销。
- 在线程池内部，是没有区分核心线程和非核心线程的，是通过 Set 集合的大小来进行区分的。
线程池状态
- 线程池有以下几种状态，在不同的状态之间，有着不同的处理逻辑，在代码中，有着大量的判断逻辑：
拒绝策略
-
以上是 JDK 提供的一些拒绝策略，这四个用的比较多的是第一种 AbortPolicy，也是默认拒绝策略。
-
而我们在业务开发过程中，往往会自定义线程池拒绝策略进行处理。
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线程池拒绝策略接口
public interface RejectedExecutionHandler { void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor); }
ThreadPoolExecutor 内部结构
核心属性之 ctl
/*
* 线程池核心属性之一 ctl
* 高3位表示当前线程池运行状态，低29位表示当前线程池中所拥有的线程数量
* 是一个原子类 AtomicInteger
*/
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
/*
* 表示在ctl中，低COUNT_BITS位 是用于存放当前线程数量的位
* Integer.SIZE = 32 => 32 - 3 = 29 表示低29位用来存放当前线程数量的位
*/
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
/*
* 表示低29位能表示的最大的线程数 就是 1 << 29 - 1 (大概是5亿多)
* CAPACITY = 000 11111111111111111111111111111
*/
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
/*
* 下面的表示线程池的5种状态
* 状态从上到下依次递增
*/
// 111 00000000000000000000000000000(二进制) 转换成10进制是一个负数
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
// 000 00000000000000000000000000000
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
// 001 00000000000000000000000000000
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
// 010 00000000000000000000000000000
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
// 011 00000000000000000000000000000
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
/*
* 获取当前线程池的运行状态
* CAPACITY = 000 11111111111111111111111111111 取反后 => ~CAPACITY = 111 00000000000000000000000000000
* 因为要进行一个&运算，而~CAPACITY的值是固定的，根据这个值并且我们知道ctl的高三位
* 表示线程池的运行状态，所以进行&运算后就能获取到ctl的高三位的状态，即线程池的状态
* c = ctl = 111 00000000000000000000000000111(表示当前线程池RUNNING状态 并且有7个线程)
* &
* 111 00000000000000000000000000000
* =
* 111 00000000000000000000000000000(最终只会保留高三位 即线程池的状态)
*/
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
/*
* 获取当前线程池的线程数量
* CAPACITY = 000 11111111111111111111111111111
* 这个值跟ctl进行&运算，取出ctl的低29位的值，即表示获取线程池中的线程数量
*/
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
/*
* 用在重置当前线程池ctl值时会用到
* rs 表示线程池状态， wc表示当前线程池中worker(线程)数量
* |表示的就是不进位加法 表示的就是通过rs 和 wc重新构建一个ctl
* 111 000000000000000000
* 000 000000000000000111
* 111 000000000000000111
*/
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
/*
* 表示当前线程池ctl所表示的状态是否小于某个状态s
* RUNNING < SHUTDOWN < STOP < TIDYING < TERMINATED
*/
private static boolean runStateLessThan(int c, int s) {
return c < s;
}
/*
* 表示当前线程池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;
}
/*
* 判断线程池是否处于RUNNING状态
* 小于SHUTDOWN的状态一定是RUNNING状态
*/
private static boolean isRunning(int c) {
return c < SHUTDOWN;
}
常用简单方法
/*
* 使用CAS的方式让 ctl值+1，成功返回true 失败返回false
* 即尝试添加一个线程(Worker实际上就是工作者线程)
*/
private boolean compareAndIncrementWorkerCount(int expect) {
return ctl.compareAndSet(expect, expect + 1);
}
/*
* 使用CAS的方式让 ctl值-1，成功返回true 失败返回false
* 即尝试干掉一个线程(Worker实际上就是工作者线程)
*/
private boolean compareAndDecrementWorkerCount(int expect) {
return ctl.compareAndSet(expect, expect - 1);
}
/*
* 将ctl的值-1， 这个方法一定成功，使用的是 自旋 + CAS 的方式保证
*/
private void decrementWorkerCount() {
do {} while (!compareAndDecrementWorkerCount(ctl.get()));
}
核心成员属性
/*
* 线程池全局锁
* 增加worker(线程) 减少worker 时需要持有mainLock，修改线程池运行状态时也需要
*/
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
// 线程池中真正存到 worker(Thread)的地方 工作者集合
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
/*
* 条件队列
* 当外部线程调用awaitTermination()方法时，外部线程会阻塞等待当前线程池状态为Termination为止
* 底层类似AQS的原理，等待就是将当前线程封装成一个Node，然后进入Condition的等待队列中(线程被park)。当线程池状态变为termination时，
* 会通过调用termination.signalAll()将这些线程全部唤醒，进入到阻塞队列中(AQS)，继续去争抢锁(每次只有头节点可以获得锁)
* 抢占到的线程，会继续执行awaitTermination() 后面程序。这些线程最后，都会正常执行。
* 简单理解：termination.await() 会将线程阻塞在这
* termination.signalAll() 会将阻塞在这的线程依次唤醒
*/
private final Condition termination = mainLock.newCondition();
// 记录线程池生命周期内，线程数的最大值
private int largestPoolSize;
// 记录线程池所完成的任务总数，当一个worker退出时，会将worker完成的任务累加到这个属性中
private long completedTaskCount;
/*
* 线程池7大核心参数之一：任务队列：BlockingQueue(阻塞队列)是一个接口
* 当线程池中的正在工作的线程达到核心线程数时，这时再提交的任务会直接放到workQueue中
* 常用的实现类有基于数组的阻塞队列 ArrayBlockingQueue
* 基于链表的阻塞队列 LinkedBlockingQueue
*/
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
/*
* 线程池的7大参数之一，线程的创建工厂，创建线程时会使用，是一个接口
* 当我们使用 Executors.newFix... newCache... 创建线程池时，使用的是 DefaultThreadFactory
* 一般不推荐使用默认的实现类DefaultThreadFactory，推荐自己实现ThreadFactory
*/
private volatile ThreadFactory threadFactory;
/*
* 线程池7大核心参数之一，拒绝策略，是一个接口，有四种实现，默认是直接丢弃并抛出异常
* DiscardOldestPolicy ---> 丢弃队列中最老(最先入队)的任务
* AbortPolicy ---> 直接丢弃新来的任务 抛出异常 (默认的)
* CallerRunsPolicy ---> 直接调用run方法，相当于同步方法
* DiscardPolicy ---> 直接丢弃新来的任务 不抛出异常
*/
private volatile RejectedExecutionHandler handler;
/*
* 线程池7大核心参数之一：空闲线程存活时间
* 当allowCoreThreadTimeOut为false时，只有当非核心线程空闲时间达到指定时间时才会被回收
* 当allowCoreThreadTimeOut为true时，线程池内所有的线程到达指定的时间均会被回收
* 此参数常常和 TimeUnit一起使用，指定超时时间的单位(也是线程池的7大核心参数之一)
*/
private volatile long keepAliveTime;
// 控制线程池内核心线程空闲时间达到指定时间时能否被回收 true 可以 false不可以
private volatile boolean allowCoreThreadTimeOut;
/*
* 线程池7大核心参数之一：核心线程数
*/
private volatile int corePoolSize;
/*
* 线程池7大核心参数之一：最大线程数
*/
private volatile int maximumPoolSize;
// 缺省拒绝策略，采用的是AbortPolicy 抛出异常的方式
private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler =
new AbortPolicy();
核心内部类 Worker
/*
* Worker采用了AQS的 独占 模式
* 独占模式：两个重要属性 state 和 ExclusiveOwnerThread
* state：0时表示表示未被占用，> 0时表示被占用，< 0时表示初始状态，这种情况下不能被抢锁，只有等于0时才能尝试去抢锁
* ExclusiveOwnerThread表示独占(抢到)锁的线程
*/
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer // 是AQS的子类
implements Runnable // 实现了Runnable接口
{
private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;
// worker内部封装的工作线程
final Thread thread;
// 假设firstTask不为空，那么当worker启动后(内部的线程启动)会优先执行firstTask，当执行完firstTask后，会到队列中去获取下一个任务
Runnable firstTask;
// 记录当前worker所完成的任务数量
volatile long completedTasks;
/*
* 构造器 传来的Runnable任务可以为null，firstTask为null的线程启动后会去队列中获取任务
*/
Worker(Runnable firstTask) {
// 设置AQS独占模式为初始化中状态，这个时候不能被抢占锁
setState(-1);
// 为内部的firstTask赋值
this.firstTask = firstTask;
/*
* 使用线程工厂创建了一个线程，并且将当前worker指定为Runnable，也就是说当thread启动的时候会议worker.run为入口
*/
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
/*
* 当worker启动时，会执行run()方法 当前的这个Worker就是一个任务(Runnable)
* 底层调用runWorker()直接将this传入了
*/
public void run() {
// 直接将当前对象传入进行执行
// ThreadPoolExecutor->runWorker() 这个是核心方法，等后面分析worker启动后逻辑时会以这里切入
runWorker(this);
}
/*
* 判断当前worker的独占锁是否被占用
* state为0 表示为被占用
* state为1 表示被占用
*/
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() != 0;
}
// 尝试去占用worker的独占锁
// 返回值 表示是否抢占成功
protected boolean tryAcquire(int unused) {
// CAS的方式，将state设置为1，尝试抢占锁
if (compareAndSetState(0, 1)) {
// CAS成功，成功抢到锁，则将exclusiveOwnerThread设置为当前线程
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
/*
* 尝试释放锁
* 外部不会直接调用这个方法，这个方法是 AQS内调用的
* 外部调用unlock时，unlock -> AQS.release -> tryRelease (模板方法模式)
*/
protected boolean tryRelease(int unused) {
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}
// 加锁，加锁失败时会阻塞当前线程(类似ReentarntLock)，直到获取到锁
public void lock() { acquire(1); }
/*
* 尝试去加锁，如果锁是未被持有状态，那么加锁成功后会返回true
* 否则 不会阻塞当前线程 直接返回false
*/
public boolean tryLock() { return tryAcquire(1); }
/*
* 释放锁
* 一般情况下，咱们调用unlock 要保证 当前线程是持有锁的
* 特殊情况，当worker的 state == -1 时，调用unlock 表示初始化state 设置state == 0
* 启动worker之前会先调用unlock()这个方法 会强制刷新ExclusiveOwnerThread == null state==0 之后看源码就明白了。
*/
public void unlock() { release(1); }
// 返回当前worker的lock是否被占用
public boolean isLocked() { return isHeldExclusively(); }
// 回头再说
void interruptIfStarted() {
Thread t;
if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) {
try {
t.interrupt();
} catch (SecurityException ignore) {
}
}
}
}
构造方法
- 其余的 3 个构造方法都是套娃下面的这个构造方法，所以我们直接看这个最核心的即可。
/*
* 7个参数的构造方法 传入7大核心参数，为内部属性赋值
*/
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, // 核心线程数
int maximumPoolSize, // 最大线程数
long keepAliveTime, // 空闲线程存活时间
TimeUnit unit, // 时间单位 seconds nano..
BlockingQueue<Runnable> workQueue, // 阻塞(任务)队列
ThreadFactory threadFactory, // 线程工厂
RejectedExecutionHandler handler) { // 拒绝策略
// 判断参数是否合法
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
// 工作队列 和 线程工厂 和 拒绝策略 都不能为空
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.acc = System.getSecurityManager() == null ?
null :
AccessController.getContext();
// 为属性赋值
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}
参考
- 视频参考
- b站_小刘讲源码付费课
- 文章参考
- shstart7_线程池源码解析2.工作原理与内部结构
- 肆华_线程池阅读理解
