Java线程池ThreadPoolExecutor源码深入分析

1.线程池Executors的简单使用

 1)创建一个线程的线程池。
 Executors.newSingleThreadExecutor();
 //创建的源码
   public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
         return new FinalizableDelegatedExecutorService
             (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                     0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                     new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
     }
 2)创建固定大小的线程池，参数为int，是线程池核心线程和最大线程的数量
 Executors.newFixedThreadPool(2);
  //创建的源码
   public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
         return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                       0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                       new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
     }
 3)创建一个线程数不设限的线程池，
  //创建的源码，核心线程是0，最大线程是Integer.MAX_VALUE
   Executors.newCachedThreadPool()；
       public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
           return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                         60L, TimeUnit.SECONDS,
                                         new SynchronousQueue<Runnable>());
   }

使用方法，使用同步代码块，保证线程池实例是唯一的。

使用方法：
  private static ExecutorService sSingleThreadExecutor = null; // lazy, guarded by class
     public static ExecutorService singleThreadExecutor() {
        //当前的类对象为锁
         synchronized (ThreadPool.class) {
             if (sSingleThreadExecutor == null) {
                 sSingleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
             }
             return sSingleThreadExecutor;
         }
   }

通过以上三种方式，可以创建一个简单的线程池。

但是有弊端：

newSingleThreadExecutor和newFixedThreadPool，运行的请求队列是长度为Integer.MAX_VALUE,可能会堆积大量的请求，从而造成oom。

而newCachedThreadPool允许的线程数量为最大值Integer.MAX_VALUE，也会造成oom。

2.通过ThreadPoolExecutor创建线程池

下面是OkHttp中Dispatcher.java线程池：

 ExecutorService executorService;
 public synchronized ExecutorService executorService() {
    if (executorService == null) {
         executorService = new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60, TimeUnit.SECONDS,
          new SynchronousQueue<Runnable>(), Util.threadFactory("OkHttp Dispatcher", false));
    }
    return executorService;
 }

OkHttp中ConnectionPool.java

 private static final Executor executor = new ThreadPoolExecutor(0 ,
       Integer.MAX_VALUE , 60L , TimeUnit.SECONDS,
       new SynchronousQueue<Runnable>(), Util.threadFactory("OkHttp ConnectionPool", true));

使用方式：

//call 实现 Runnable 接口。调用execute方法即可将入线程池，执行run方法中的代码。
executorService().execute(call);

3.ThreadPoolExecutor各个参数的含义

corePoolSize：核心线程数，即使是空闲线程也不会销毁。这样做的目的是为了降低执行任务时创建线程的时间和性能开销。
maximumPoolSize：最大线程数。当核心线程被用完时，会创建新的线程来执行任务，但是创建的数量不能超过这个最大值。
keepAliveTime：线程的存活时间。除核心线程外，其他线程一旦执行完任务，就会处于空闲状态，超过这个时间就会被销毁。
unit：keepAliveTime设置的时间单位。
workQueue：任务的阻塞队列。线程数量有限，当任务过多来不及执行时，就会加入到这个阻塞队列中，等到有空闲进程，
           就会从这个队列取出任务去执行。队列都是先进先出的FIFO。
threadFactory：新线程产生的方式。
handler：拒绝策略，超过任务队列设置的最大值时。再有新的任务进来，就会执行这个拒绝策略。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) {
}

线程池的阻塞队列：

ArrayBlockingQueue：
    是基于数组的任务队列。里面用一个数组来存放任务。当我们new的时候，需要指定数组大小。
    还有两个int变量putIndex和takeIndex用来表示队列的头部和尾部在数组中的位置。
LinkedBlockingQueue:
    是基于链表的，内部用一个单向链表来存放任务。创建时可以指定大小，如果不指定则是Integer.MAX_VALUE
PriorityBlockingQueue:
   基于优先级的阻塞队列。
SynchronousQueue：
   一种无缓冲的等待队列。有新任务进来直接交给线程执行。
   OkHttp中使用的就是这种队列，他的最大线程数为Integer.MAX_VALUE。保证有任务进来就能马上执行。

RejectedExecutionHandler拒绝策略，这是一个接口。不同的实现执行不同的策略。

public interface RejectedExecutionHandler {
    void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
}
AbortPolicy:拒绝行为直接抛出异常 RejectedExecutionException
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
                                                 " rejected from " +
                                                 e.toString());
        }
DiscardPolicy:保持静默，什么也不做。
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
        }
DiscardOldestPolicy：丢弃任务队里中最老的任务，尝试将新任务加入队列
 public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            if (!e.isShutdown()) {
                e.getQueue().poll();
                e.execute(r);
            }
 }
CallerRunsPolicy：直接由提交任务这执行这个任务。
 public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            if (!e.isShutdown()) {
                r.run();
            }
 }
如果在创建线程池的时候，不知道具体的拒绝策略。那么ThreadPoolExecutor默认的策略是AbortPolicy。
private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler =  new AbortPolicy();

线程池可以执行两种类型的任务：Runable和Callable

class MyRunable implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
        }
}
class MyCallable implements Callable{
    @Override
    public Object call() throws Exception {
        return null;
    }
}
Runnable 没有返回值，返回的是void，不允许抛出异常。
Callable 有返回值，返回的是Object，允许抛出异常。

4.线程池的源码分析

线程池的状态：

//运行状态，可以接受新任务，并且处理排队任务。
private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
//关闭状态，不再接受新任务，不过仍然会处理排队任务。
private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
//停止状态，不再接受新任务，也不处理排队任务，同时中断处理中的任务
private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
//整理状态，当前所有任务终止，workerCount计数为0，线程切换为TIDYING状态，并且执行terminal()方法
private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
//终止状态，说明terminal()方法执行完成。
private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;

ctlof是得到新的ctl值。通过ctl可以计算线程池的状态和数量

runStateOf 计算当前线程池的状态。

workerCountOf计算线程池的数量。

// ctlOf计算ctl的新值，也就是线程池状态和线程池中线程数量。
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
//获取ctl的高三位，也就是线程池的状态。
private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
//获取ctl的低29位，也就是线程池中的线程数。
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
其中runStateOf(int c)和workerCountOf(int c)的参数c就是通过ctlOf(int rs, int wc)获得的ctl值。

向线程池中添加一个任务：executorService().execute(call);

然后看看源码中是如何执行的，是如何添加任务的。

ctl 用来表示线程池的状态和线程数量，
在ThreadPoolExcutor中使用32位二进制数来表示线程池的状态和线程中线程数量。
其中前3位表示线程池的状态，后29位表示线程池中的线程数。
public void execute(Runnable command) {
         int c = ctl.get();
        //如果工作线程数量小于核心线程数，
        //提交的任务会通过addWorker(command, true)创建一个新的核心线程来执行， 这个参数传的是true，表示去新增核心线程。
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            if (addWorker(command, true)){
                //添加成功则return
                return;
            }
           //添加核心线程失败则重新获取线程池的状态和数量
            c = ctl.get();
        }
        //进入到下面说明当前工作线程大于或等于核心线程。
        //如果线程池处于运行状态，则加入队列
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            //如果入队成功，则重新获取线程池的状态
            int recheck = ctl.get();
            //如果线程池不处于运行状态，则从队列中remove
            if (!isRunning(recheck) && remove(command)){
              //成功删除，则执行拒绝策略
              reject(command);
            }else if (workerCountOf(recheck) == 0){
             //进入这个分支有两种情况1.线程池处于运行状态 2.线程从不处于运行状态，但是remove失败
                则会判断workerCountOf如果工作线程为0，则会创建非核心线程去执行任务。
              addWorker为null，和false。false表示非核心线程。null说明创建的线程去执行队列里的任务。
              addWorker(null, false);
            }
         //进入到这个分支有两种情况1.线程池处于非运行状态2.运行状态但是入队失败了。
         这时候创建非核心线程去执行任务
        }else if (!addWorker(command, false)){
            如果创建非核心线程失败了，则执行拒绝策略。
           reject(command);
        }
}

通过以上源码分析，线程池的运行原理可以总结为一下几点：

1.通过execute方法提交任务时，运行线程小于corePoolSize时，则会创建新的核心线程来执行这个任务。

2.通过excute方法提交任务时，运行线程大于等于corePoolSize时，则会加入到队列中，等待线程调度执行。

3.通过excuete方法提交任务时，运行线程大于等于corePoolSize时，并且加入队列失败(队列满了)，新提交的任务将会通过创建新的线程执行。

4.通过excute方法提交任务时，运行线程大于maximumPoolSize时，队列也满了，则会执行拒绝策略。

5.当线程池中的线程执行完任务处于空闲状态时，则会尝试从任务队列中取头结点任务执行。

接下来看addWorker如何添加任务。

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
        retry:
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);

            // 如果线程池处于非运行状态，则不会创建线程。
            if (rs >= SHUTDOWN &&
                ! (rs == SHUTDOWN &&
                   firstTask == null &&
                   ! workQueue.isEmpty())){
                        return false;
                   }
            //如果线程池处于运行状态，则直接走下面的创建添加逻辑。
            for (;;) {
                //获取工作线程数量
                int wc = workerCountOf(c);
                //wc >= CAPACITY 工作线程大于最大容量
                // wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize) 如果工作线程大于了核心线程或最大线程，
                //只要这两个条件有一个成立则return。
                if (wc >= CAPACITY ||
                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)){
                    return false;
                 }
                //创建线程数量+1，这里用到了CAS。关于CAS后面再写文章分析。
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c)){
                    break retry;
                 }
                 //如果CAS操作失败，线程数量没有加1，则重新获取线程的状态。
                c = ctl.get();  // Re-read ctl
                //判断当前状态和之前状态，如果不同，说明线程池状态发生了变化。重新跳到retry的外层循环。
                //如果相同，则说明线程池没有变化，继续进行内层循环。
                if (runStateOf(c) != rs){
                    continue retry;
                }
                // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
            }
        }
        //执行到这说明线程数量已经完成+1，接下来进行线程的创建。
        boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try {
            //这个创建一个worker对象。在worker构造方法中，会利用ThreadPoolExecutor中传递过了的ThreadFactory创建一个Thread
            //默认是通过Executors.defaultThreadFactory()，创建一个线程。
            w = new Worker(firstTask);
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) {
                //拿到一个重入锁对象。
                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
                mainLock.lock();
                try {
                    //拿到线程池的状态
                    int rs = runStateOf(ctl.get());
                    //如果线程池处于运行状态或者处于关闭状态并且firstTask == null
                    if (rs < SHUTDOWN ||
                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                        if (t.isAlive()) {
                            throw new IllegalThreadStateException();
                        }
                        //添加到work集合
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize){ //更新一下最大线程数
                            largestPoolSize = s;
                        }
                        //标志位，添加成功
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                if (workerAdded) {
                    //添加成功则启动线程
                    t.start();
                    //启动成功
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            //如果没有启动成功则从线程池中移除。
            if (! workerStarted){
                addWorkerFailed(w);
            }
        }
        return workerStarted;
    }

关键代码看看 w = new Worker(firstTask);做了啥

 Worker(Runnable firstTask) {
        setState(-1);
        //将传进来的任务赋值给成员变量
        this.firstTask = firstTask;
        //创建一个线程，并把Worker本身当做Runnable传进了Thread中去。
        this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
 }
 public interface ThreadFactory {
     Thread newThread(Runnable r);
 }

注意newThread(this)。Worker把自己当做Runnable传到了线程中去。当调用t.start()方法时会调用Worker的run方法。

public void run() {
    runWorker(this);
}
final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    w.unlock(); // allow interrupts
    boolean completedAbruptly = true;
    try {
        //如果task不为null，则先执行当前任务
        //如果task传进来是null则从队列中取任务，执行队列里的任务。
        //getTask()就是从任务队列中提取在等待的队伍。
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            w.lock();
            //(runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) 线程池处于STOP，TIDYING，TERMINATED状态
             处于这些状态的线程池是无法执行任务的。
          if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
               (Thread.interrupted() &&
                runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
              !wt.isInterrupted()){
                 //中断线程
                  wt.interrupt();
              }
          //执行到下面说明线程池处于RUNNING或SHUTDOWN状态
          //由此也可以看出SHUTDOWN状态的线程池，是可以执行队列里的任务的，但是队列不在接收新的任务添加
            try {
                beforeExecute(wt, task);
                Throwable thrown = null;
                try {
                    //执行任务的
                    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 {
                    afterExecute(task, thrown);
                }
            } finally {
                task = null;
                w.completedTasks++;
                w.unlock();
            }
        }
        completedAbruptly = false;
    } finally {
        processWorkerExit(w, completedAbruptly);
    }
}

getTask()从任务队列中，提取任务。

  private Runnable getTask() {
   boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
      try {
            //从任务队列中取出任务
             Runnable r = timed ?
             workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
             workQueue.take();
         if (r != null)
             return r;
         timedOut = true;
     } catch (InterruptedException retry) {
         timedOut = false;
     }
  }

通过以上源码分析，可以总结一下几点。

addWorker(Runnable firstTask, boolean core)

1.如果firstTask为null，则会创建线程去执行队列里的任务。

2.如果不为null，则会去执行当前任务，然后再执行队列里的任务。

3.core 如果为true，则会创建核心线程，如果为false，则会创建非核心线程。

4.addWorker 会创建线程，启动线程，执行任务。

在创建线程之前会判断线程池的状态、以及核心线程或最大线程数。

如果创建成功启动线程的start方法，然后调用worker的runWorker()方法。

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