线程池源码分析
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2021-02-21 18:51
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作者 | Createsequence
来源 | urlify.cn/UNB3Uv
概述
在 java 中,线程池 ThreadPoolExecutor 是一个绕不过去的类,它是享元模式思想的体现,通过在容器中创建一定数量的线程加以重复利用,从而避免频繁创建线程带来的额外开销。一个设置合理的线程池可以提高任务响应的速度,并且避免线程数超过硬件能力带来的意外情况。
在本文,将深入线程池源码,了解线程池的底层实现与运行机制。
一、构造方法
ThreadPoolExecutor 类一共提供了四个构造方法,我们基于参数最完整构造方法了解一下线程池创建所需要的变量:
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, // 核心线程数
int maximumPoolSize, // 最大线程数
long keepAliveTime, // 非核心线程闲置存活时间
TimeUnit unit, // 时间单位
BlockingQueue workQueue, // 工作队列
ThreadFactory threadFactory, // 创建线程使用的线程工厂
RejectedExecutionHandler handler // 拒绝策略) {
}
核心线程数:即长期存在的线程数,当线程池中运行线程未达到核心线程数时会优先创建新线程;
最大线程数:当核心线程已满,工作队列已满,同时线程池中线程总数未超过最大线程数,会创建非核心线程;
非核心线程闲置存活时间:当非核心线程闲置的时的最大存活时间;
时间单位:非核心线程闲置存活时间的时间单位;
任务队列:当核心线程满后,任务会优先加入工作队列,等等待核心线程消费;
线程工厂:线程池创建新线程时使用的线程工厂;
拒绝策略:当工作队列与线程池都满时,用于执行的策略;
二、线程池状态
1.线程池状态
线程池拥有一个 AtomicInteger 类型的成员变量 ctl ,通过位运算分别使用 ctl 的高位低位以便在一个值中存储线程数量以及线程池状态。
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 29(32-3)
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// 允许的最大工作线程(2^29-1 约5亿)
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// 运行状态。线程池接受并处理新任务
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
// 关闭状态。线程池不能接受新任务,处理完剩余任务后关闭。调用shutdown()方法会进入该状态。
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
// 停止状态。线程池不能接受新任务,并且尝试中断旧任务。调用shutdownNow()方法会进入该状态。
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
// 整理状态。由关闭状态转变,线程池任务队列为空时进入该状态,会调用terminated()方法。
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
// 终止状态。terminated()方法执行完毕后进入该状态,线程池彻底停止。
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
2.线程状态的计算
这里比较不好理解的是上述-1的位运算,下面我们来分析一下:
在计算机中,二进制负数一般用补码表示,即源码取反再加一。但又有这种说法,即将最高位作为符号位,0为正数,1为负数。实际上两者是可以结合在一起看的。假如数字是单字节数,1 字节对应8 bit,即八位,现在,我们要计算 - 1。
按照第二种说法,最高位为符号位,则有 1/000 0001,然后按第一种说法取反后+1,并且符号位不变,则有 1/111 1110 + 1,即 1/111 1111。
现在回到 -1 << COUNT_BITS
这行代码:
一个 int 是 4 个字节,对应 32 bit,按上述过程 -1 转为二进制即为 1/111......1111(32个1), COUNT_BITS
是 29,-1 左移 29 位,最终得到 111.0...0000。
同理,计算其他的几种状态,可知分别是:
状态 | 二进制 |
---|---|
RUNNING | 111...0....00 |
SHUTDOWN | 000...0....00 |
STOP | 001...0....00 |
TIDYING | 010...0....00 |
TERMINATED | 011...0....00 |
其中,我们可以知道 SHUTDOWN 状态转为十进制也是 0 ,而 RUNNING 作为有符号数,它的最高位是 1,说明转为十进制以后是个负数,其他的状态最高位都是 0,转为十进制之后都是正数,也就是说,我们可以这么认为:
小于 SHUTDOWN 的就是 RUNNING,大于 SHUTDOWN 就是停止或者停止中。
这也是后面状态计算的一些写法的基础。比如 isRunning()
方法:
private static boolean isRunning(int c) {
return c < SHUTDOWN;
}
3.线程状态与工作线程数的获取
// 根据当前运行状态和工作线程数获取当前的 ctl
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
// 获取运行状态
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
// 获取工作线程数
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
前面获取状态的时候调用了 ctlOf()
方法,根据前面,我们可以知道,CAPACITY
实际上是 29 位,而线程状态用的是 32 - 30 共 3 位,也就是说,ctl 共 32 位,高3 位用于表示线程池状态,而低 29 位表示工作线程的数量。
这样上述三个方法就很好理解了:
ctlOf()
:获取 ctl。将工作线程数量与运行状态进行于运算,假如我们处于 RUNNING,并且有 1 个工作线程,那么 ctl = 111....000 | 000.... 001,最终得到 111 ..... 001;
runStateOf()
:获取运行状态。继续根据上文的数据,
~CAPACITY
取反即为 111....000,与运行状态 111...0000 与运算,最终得到 111....000,相当于低位掩码,消去低 29 位;workerCountOf()
:获取工作线程数。同理,
c & CAPACITY
里的 CAPACITY 相当于高位掩码,用于消去高 3 位,最终得到 00...001,即工作线程数。
同理,如果要增加工作线程数,就直接通过 CAS 去递增 ctl,比如新建线程中使用的公共方法:
private boolean compareAndIncrementWorkerCount(int expect) {
// 通过 CAS 递增 ctl
return ctl.compareAndSet(expect, expect + 1);
}
要改变线程池状态,就根据当前工作线程和要改变的状态去合成新的 ctl,然后 CAS 改变 ctl,比如 shutdown()
中涉及的相关代码:
private void advanceRunState(int targetState) {
for (;;) {
int c = ctl.get();
if (runStateAtLeast(c, targetState) ||
// 通过 CAS 改变 ctl
ctl.compareAndSet(c, ctlOf(targetState, workerCountOf(c))))
break;
}
}
三、任务的创建与执行
线程池任务提交方法是 execute()
,根据代码可知,当一个任务进来时,分四种情况:
当前工作线程数小于核心线程数,启动新线程;
当前工作线程数大于核心线程数,但是未大于最大线程数,尝试添加到工作队列;
当前线程池核心线程和队列都满了,尝试创建新非核心线程。
非核心线程创建失败,说明线程池彻底满了,执行拒绝策略。
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
// 1.当前工作线程数小于核心线程数,启动新线程
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
// 添加任务
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 2. 当前工作线程数大于核心线程数,但是未大于最大线程数,尝试添加到工作队列
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
// 如果当前线程处于非运行态,并且移除当前任务成功,则拒绝任务(防止添加到一半就shutdown)
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 如果当前没有工作线程了,就启动新线程
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 3.当前线程池核心线程和队列都满了,尝试创建新非核心线程
else if (!addWorker(command, false))
// 4.线程池彻底满了,执行拒绝策略
reject(command);
}
1.添加任务
添加任务依靠 addWorker()
方法,这个方法很长,但是主要就干了两件事:
CAS 让 ctl 的工作线程数 +1;
启动新的线程;
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
// 1.改变 ctl 使工作线程+1
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 如果当前不处于运行状态,传入任务为空,并且任务队列为空的时候拒绝添加新任务
// 即线程池 shutdown 时不让添加新任务,但是运行继续跑完任务队列里的任务。
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
// 线程不允许超过最大线程数,核心线程不允许超过最大核心线程数
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
// CAS 递增工作线程数
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
// 失败了就重新回到上面的retry处继续往下执行
break retry;
// 更新 ctl
c = ctl.get();
// 如果运行状态改变了就全部从来
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
}
}
// 2.启动新线程
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
// 创建新线程
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
// 加锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
int rs = runStateOf(ctl.get());
// 如果线程池处于运行状态,或者没有新任务的SHUTDOWN状态(即SHUTDOW以后还在消费工作队列里的任务)
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
// 线程是否在未启动前就已经启动了
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w);
int s = workers.size();
// 如果集合中的工作线程数大于最大线程数,则将池中最大线程数改为当前工作线程数
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
// 线程创建完成
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
// 如果线程成功创建,就启动线程,并且更改启动状态为成功
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
// 如果线程启动不成功,就执行失败策略
if (! workerStarted)
// 启动失败策略,从当前工作线程队列移除当前启动失败的线程,递减工作线程数,然后尝试关闭线程池(如果当前任务就是线程池最后一个任务)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
2. 任务对象Worker
根据上文,不难发现,在线程池中线程往往以 Worker 对象的方式存在,那么这个 Worker 又是何方神圣?
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable
{
// 工作线程
final Thread thread;
// 要执行的任务
Runnable firstTask;
// 线程执行过的任务数
volatile long completedTasks;
// 通过线程工厂创建工作线程
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1);
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
// 执行任务
public void run() {
runWorker(this);
}
... ...
}
这个 Worker 类继承了 AQS,也就是说,他本身就相当于一个同步队列,结合他的成员变量 thread 和 firstTask,可以知道他实际上就是我们线程池中所说的“线程”。除了父类 AQS 本身提供的独占锁以外,Worker 还提供了一些检查任务线程运行状态以及中断线程相关的方法。
此外,线程池中还有一个工作队列 workers,用于保存当前全部的 Worker:
private final HashSet workers = new HashSet();
3.任务的启动
当调用 Worker.run()
的时候,其实调用的是 runWorker()
方法。
runWorker()
方法实际上就是调用线程执行任务的方法,他的逻辑大题是这样的:
拿到入参的新 Worker,一直循环获取 Worker 里的任务;
加锁然后执行任务;
如果执行完任务流程,并且没有发生异常导致 Worker 挂掉,就直接复用 Worker(在获取任务的方法
getTask()
中循环等待任务);如果执行完任务流程后发现发生异常导致 Worker 挂掉,就从工作队列中移除当前 Worker,并且补充一个新的;
如果整个流程执行完毕,就删除当前的 Worker。
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // 新创建的Worker默认state为-1,AQS的unlock方法会将其改为0,此后允许使用interruptIfStarted()方法进行中断
// 完成任务以后是否需要移除当前Worker,即当前任务是否意外退出
boolean completedAbruptly = true;
try {
// 循环获取任务
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
// 加锁,防止 shundown 时中断正在运行的任务
w.lock();
// 如果线程池状态为 STOP 或更后面的状态,中断线程任务
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
// 钩子方法,默认空实现,需要自己提供
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
// 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
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
task = null;
// 任务执行完毕
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
// 根据completedAbruptly决定是否要移除意外退出的Worker,并补充新的Worker
// 也就是说,如果上述过程顺利完成,工作线程没有挂掉,就不删除,下次继续用,否则就干掉它再补充一个。
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
4.任务的获取与超时处理
在 runWorker()
方法中,通过 getTask()
方法去获取任务。值得注意的是,超时处理也在此处,简单的来说,整套流程是这样的:
判断线程池是否关闭,工作队列是否为空,如果是说明没任务了,直接返回null,否则接着往下判断;
判断当前是否存在非核心线程,如果是说明需要进行超时处理;
获取任务,如果不需要超时处理,则直接从任务队列获取任务,否则根据 keepaliveTime 阻塞一段时间后获取任务,如果获取不到,说明非核心线程超时,返回 null 交给
runWorker()
中的processWorkerExit()
方法去删除;
换句话说,runWorker()
方法一旦执行完毕,必然会删除当前的 Worker,而通过 getTask()
拿任务的 Worker,在线程池正常运行的状态下,核心线程只会一直在 for 循环中等待直到拿到任务,而非核心线程超时以后拿不到任务就会返回一个 null,然后回到 runWorker()
中走完processWorkerExit()
方法被删除。
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
// 如果线程池关闭了,并且工作队列里的任务都完成了,或者线程池直接进入了 STOP 或更进一步的状态,就不返回新任务
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
// 获取当前工作线程
int wc = workerCountOf(c);
// 核心线程是否超时(默认false)或当前是否存在非核心线程,即判断当前当前是否需要进行超时控制
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
// 判断线程是否超过最大线程数或存在非核心线程
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
// 并且除非任务队列为空,否则池中最少有一个线程
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
try {
// 获取任务
Runnable r = timed ?
// 阻塞 keepaliveTime 以获取任务,如果在 keepaliveTime 时间内没有获取到任务,则返回 null.
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
// 如果获取不到任务,说明非核心线程超时了,下一轮判断确认是否退出循环。
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}
四、线程池的中断
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线程池的中断方法分为三种:
shutdown()
:中断线程池,不再添加新任务,同时等待当前进行和队列中的任务完成;shutdownNow()
:立即中断线程池,不再添加新任务,同时中断所有工作中的任务,不再处理任务队列中任务。
1.shutdown
shutdown 是有序关闭。主要干了三件事:
改变当前线程池状态为 SHUTDOWN;
将当前工作队列中的全部线程标记为中断;
完成上述过程后将线程池状态改为 TIDYING
public void shutdown() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
// 加锁
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
// 改变当前线程池状态
advanceRunState(SHUTDOWN);
// 中断当前线程
interruptIdleWorkers();
// 钩子函数,默认空实现
onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
}
其中,interruptIdleWorkers()
方法如下:
private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// 遍历工作队列中的全部 Worker
for (Worker w : workers) {
Thread t = w.thread;
if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) {
try {
// 标记为中断
t.interrupt();
} catch (SecurityException ignore) {
} finally {
w.unlock();
}
}
if (onlyOne)
break;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
}
2.shutdownNow
shutdownNow()
与 shutdown()
流程类似,但是会直接将状态转为 STOP,在 addWorker()
或者getTask()
等处理任务的相关方法里,会针对 STOP 或更进一步的状态做区分,将不会再处理任务队列中的任务,配合drainQueue()
方法以删除任务队列中的任务。
public List shutdownNow() {
List tasks;
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
// 改变当前线程池状态
advanceRunState(STOP);
// 中断当前线程
interruptWorkers();
// 删除任务队列中的任务
tasks = drainQueue();
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
return tasks;
}
五、拒绝策略
当任务队列已满,并且线程池中线程也到达最大线程数的时候,就会调用拒绝策略。也就是reject()
方法
final void reject(Runnable command) {
handler.rejectedExecution(command, this);
}
拒绝策略共分四种:
AbortPolicy:拒绝策略,直接抛出异常,默认策略;
CallerRunsPolicy:调用者运行策略,用调用者所在的线程来执行任务;
DiscardOldestPolicy:弃老策略,无声无息的丢弃阻塞队列中靠最前的任务,并执行当前任务;
DiscardPolicy:丢弃策略,直接无声无息的丢弃任务;
我们可以简单的了解一下他们的实现:
AbortPolicy
throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
" rejected from " +
e.toString());
CallerRunsPolicy
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
if (!e.isShutdown()) {
r.run();
}
}
DiscardOldestPolicy
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
if (!e.isShutdown()) {
// 弹出队头元素
e.getQueue().poll();
e.execute(r);
}
}
DiscardPolicy
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
// Does nothing
}
六、线程池的钩子函数
和 HashMap 与 LinkedHashMap 中的行为有点类似,在线程池的代码中,有些方法调用了一些具有空实现的方法,这些方法是提供给用户去继承并重写的钩子函数,主要包括三个:
beforeExecute()
:在执行任务之前回调afterExecute()
:在任务执行完后回调terminated()
:在线程池中的所有任务执行完毕后回调
通过继承 ThreadPoolExecutor 类,并重写以上三个方法,我们可以进行监控或者输出日志,更方便的了解线程池的状态。
值得一提的是,afterExecute()
方法的入参类型是(Runnable r, Throwable t)
,也就是说,如果线程运行中抛出异常,我们也可以通过该方法去捕获异常并作出相应的处理。
七、总结
线程池提供了四个构造方法,参数最全的构造方法参数按顺序有:核心线程数,最大线程数,非核心线程闲置存活时间,存活时间单位,任务队列,线程工厂,拒绝策略。
线程池共有五种状态,分别是:RUNNING,SHUTDOWN,STOP,TYDYING,TERMINATED,它们与工作线程数量一同记录在成员变量 ctl 中,其中高 3 位用于记录状态,低 29 位用于记录工作线程数,实际使用中通过位运算去获取。
线程池中任务线程以继承了 AQS 的 Worker 类的实例形式存在。当添加任务时,会有四种情况:核心线程不满,优先创建核心线程;核心线程满,优先添加任务队列;核心线程与队列都满,创建非核心线程;线程和队列都满,则执行拒绝策略。
其中,拒绝策略分为四类,默认的拒绝策略 AbortPolicy;调用者运行策略 CallerRunsPolicy;弃老策略 DiscardOldestPolicy;丢弃策略 DiscardPolicy。
线程池的中断有两个方法:shutdown()
与 shutdownNow()
,两者都会让线程池不再接受新任务,但是 shutdown()
会等待当前与任务队列中的任务执行完毕,而 shutdownNow()
会直接中断当前任务,忽略并删除任务队列中的任务。
线程池提供了beforeExecute()
,afterExecute()
,terminated()
三个钩子函数,其中,afterExecute()
的入参含有抛出的异常,因此可以借由该方法处理线程池中线程抛出的异常。
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