手寫線程池，對照學習ThreadPoolExecutor線程池實現原理！

作者：小傅哥 2020-12-10 08:24:40

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當意識到這一點時，其實非常懷念小時候。放假的早上跑出去，喊上三五個伙伴，要不下河摸摸魚、彈彈玻璃球、打打pia、跳跳房子!一天下來真的不會感覺累，但現在如果是放假的一天，你的娛樂安排，很多時候會讓頭很累!

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本文轉載自微信公眾號「bugstack蟲洞棧」，作者小傅哥。轉載本文請聯系bugstack蟲洞棧公眾號。

一、前言

二、面試題

三、線程池講解

1. 先看個例子
2. 手寫一個線程池
3. 線程池源碼分析

四、總結

一、前言

人看手機，機器學習!

正好是2020年，看到這張圖還是蠻有意思的。以前小時候總會看到一些科技電影，講到機器人會怎樣怎樣，但沒想到人似乎被娛樂化的東西，搞成了低頭族、大肚子!

「就像」，你有試過學習一天英語頭疼，還是刷一天抖音頭疼嗎?或者玩一天游戲與打一天球!如果你意識到了，那么爭取放下一會手機，適當娛樂，鍛煉保持個好身體!

二、面試題

謝飛機，小記!，上次吃虧在線程上，這次可能一次坑掉兩次了!

「謝飛機」：你問吧，我準備好了!!!

「面試官」：嗯，線程池狀態是如何設計存儲的?

「謝飛機」：這!下一個，下一個!

「面試官」：Worker 的實現類，為什么不使用 ReentrantLock 來實現呢，而是自己繼承AQS?

「謝飛機」：我...!

「面試官」：那你簡述下，execute 的執行過程吧!

「謝飛機」：再見!

三、線程池講解

1. 先看個例子

ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(10)); 
threadPoolExecutor.execute(() -> { 
    System.out.println("Hi 線程池！"); 
}); 
threadPoolExecutor.shutdown(); 
 
// Executors.newFixedThreadPool(10); 
// Executors.newCachedThreadPool(); 
// Executors.newScheduledThreadPool(10); 
// Executors.newSingleThreadExecutor();

這是一段用于創建線程池的例子，相信你已經用了很多次了。

線程池的核心目的就是資源的利用，避免重復創建線程帶來的資源消耗。因此引入一個池化技術的思想，避免重復創建、銷毀帶來的性能開銷。

「那么」，接下來我們就通過實踐的方式分析下這個池子的構造，看看它是如何處理線程的。

2. 手寫一個線程池

2.1 實現流程

為了更好的理解和分析關于線程池的源碼，我們先來按照線程池的思想，手寫一個非常簡單的線程池。

其實很多時候一段功能代碼的核心主邏輯可能并沒有多復雜，但為了讓核心流程順利運行，就需要額外添加很多分支的輔助流程。就像我常說的，為了保護手才把擦屁屁紙弄那么大!

圖 21-1 線程池簡化流程

關于圖 21-1，這個手寫線程池的實現也非常簡單，只會體現出核心流程，包括：

有n個一直在運行的線程，相當于我們創建線程池時允許的線程池大小。

把線程提交給線程池運行。

如果運行線程池已滿，則把線程放入隊列中。

最后當有空閑時，則獲取隊列中線程進行運行。

2.2 實現代碼

public class ThreadPoolTrader implements Executor { 
 
    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(0); 
 
    private volatile int corePoolSize; 
    private volatile int maximumPoolSize; 
 
    private final BlockingQueue<Runnable> workQueue; 
 
    public ThreadPoolTrader(int corePoolSize, int maximumPoolSize, BlockingQueue<Runnable> workQueue) { 
        this.corePoolSize = corePoolSize; 
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize; 
        this.workQueue = workQueue; 
    } 
 
    @Override 
    public void execute(Runnable command) { 
        int c = ctl.get(); 
        if (c < corePoolSize) { 
            if (!addWorker(command)) { 
                reject(); 
            } 
            return; 
        } 
        if (!workQueue.offer(command)) { 
            if (!addWorker(command)) { 
                reject(); 
            } 
        } 
    } 
 
    private boolean addWorker(Runnable firstTask) { 
        if (ctl.get() >= maximumPoolSize) return false; 
 
        Worker worker = new Worker(firstTask); 
        worker.thread.start(); 
        ctl.incrementAndGet(); 
        return true; 
    } 
 
    private final class Worker implements Runnable { 
 
        final Thread thread; 
        Runnable firstTask; 
 
        public Worker(Runnable firstTask) { 
            this.thread = new Thread(this); 
            this.firstTask = firstTask; 
        } 
 
        @Override 
        public void run() { 
            Runnable task = firstTask; 
            try { 
                while (task != null || (task = getTask()) != null) { 
                    task.run(); 
                    if (ctl.get() > maximumPoolSize) { 
                        break; 
                    } 
                    task = null; 
                } 
            } finally { 
                ctl.decrementAndGet(); 
            } 
        } 
 
        private Runnable getTask() { 
            for (; ; ) { 
                try { 
                    System.out.println("workQueue.size：" + workQueue.size()); 
                    return workQueue.take(); 
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace(); 
                } 
            } 
        } 
    } 
 
    private void reject() { 
        throw new RuntimeException("Error！ctl.count：" + ctl.get() + " workQueue.size：" + workQueue.size()); 
    } 
 
    public static void main(String[] args) { 
        ThreadPoolTrader threadPoolTrader = new ThreadPoolTrader(2, 2, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10)); 
 
        for (int i = 0; i < 10; i++) { 
            int finalI = i; 
            threadPoolTrader.execute(() -> { 
                try { 
                    Thread.sleep(1500); 
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace(); 
                } 
                System.out.println("任務編號：" + finalI); 
            }); 
        } 
    } 
 
} 
 
// 測試結果 
 
任務編號：1 
任務編號：0 
workQueue.size：8 
workQueue.size：8 
任務編號：3 
workQueue.size：6 
任務編號：2 
workQueue.size：5 
任務編號：5 
workQueue.size：4 
任務編號：4 
workQueue.size：3 
任務編號：7 
workQueue.size：2 
任務編號：6 
workQueue.size：1 
任務編號：8 
任務編號：9 
workQueue.size：0 
workQueue.size：0

「以上」，關于線程池的實現還是非常簡單的，從測試結果上已經可以把最核心的池化思想體現出來了。主要功能邏輯包括：

ctl，用于記錄線程池中線程數量。
corePoolSize、maximumPoolSize，用于限制線程池容量。
workQueue，線程池隊列，也就是那些還不能被及時運行的線程，會被裝入到這個隊列中。
execute，用于提交線程，這個是通用的接口方法。在這個方法里主要實現的就是，當前提交的線程是加入到worker、隊列還是放棄。
addWorker，主要是類 Worker 的具體操作，創建并執行線程。這里還包括了 getTask() 方法，也就是從隊列中不斷的獲取未被執行的線程。

「好」，那么以上呢，就是這個簡單線程池實現的具體體現。但如果深思熟慮就會發現這里需要很多完善，比如：線程池狀態呢，不可能一直奔跑呀!?、線程池的鎖呢，不會有并發問題嗎?、線程池拒絕后的策略呢?，這些問題都沒有在主流程解決，也正因為沒有這些流程，所以上面的代碼才更容易理解。

接下來，我們就開始分析線程池的源碼，與我們實現的簡單線程池參考對比，會更加容易理解??!

3. 線程池源碼分析

3.1 線程池類關系圖

圖 21-2 線程池類關系圖

以圍繞核心類 ThreadPoolExecutor 的實現展開的類之間實現和繼承關系，如圖 21-2 線程池類關系圖。

接口 Executor、ExecutorService，定義線程池的基本方法。尤其是 execute(Runnable command) 提交線程池方法。
抽象類 AbstractExecutorService，實現了基本通用的接口方法。
ThreadPoolExecutor，是整個線程池最核心的工具類方法，所有的其他類和接口，為圍繞這個類來提供各自的功能。
Worker，是任務類，也就是最終執行的線程的方法。
RejectedExecutionHandler，是拒絕策略接口，有四個實現類;AbortPolicy(拋異常方式拒絕)、DiscardPolicy(直接丟棄)、DiscardOldestPolicy(丟棄存活時間最長的任務)、CallerRunsPolicy(誰提交誰執行)。
Executors，是用于創建我們常用的不同策略的線程池，newFixedThreadPool、newCachedThreadPool、newScheduledThreadPool、newSingleThreadExecutor。

3.2 高3位與低29位

圖 22-3 線程狀態，高3位與低29位

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0)); 
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3; 
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1; 
 
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;

在 ThreadPoolExecutor 線程池實現類中，使用 AtomicInteger 類型的 ctl 記錄線程池狀態和線程池數量。在一個類型上記錄多個值，它采用的分割數據區域，高3位記錄狀態，低29位存儲線程數量，默認 RUNNING 狀態，線程數為0個。

3.2 線程池狀態

圖 22-4 線程池狀態流轉

圖 22-4 是線程池中的狀態流轉關系，包括如下狀態：

RUNNING：運行狀態，接受新的任務并且處理隊列中的任務。
SHUTDOWN：關閉狀態(調用了shutdown方法)。不接受新任務，,但是要處理隊列中的任務。
STOP：停止狀態(調用了shutdownNow方法)。不接受新任務，也不處理隊列中的任務，并且要中斷正在處理的任務。
TIDYING：所有的任務都已終止了，workerCount為0，線程池進入該狀態后會調 terminated() 方法進入TERMINATED 狀態。
TERMINATED：終止狀態，terminated() 方法調用結束后的狀態。

3.3 提交線程(execute)

圖 22-5 提交線程流程圖

public void execute(Runnable command) { 
    if (command == null) 
        throw new NullPointerException(); 
    int c = ctl.get(); 
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { 
        if (addWorker(command, true)) 
            return; 
        c = ctl.get(); 
    } 
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { 
        int recheck = ctl.get(); 
        if (! isRunning(recheck) && remove(command)) 
            reject(command); 
        else if (workerCountOf(recheck) == 0) 
            addWorker(null, false); 
    } 
    else if (!addWorker(command, false)) 
        reject(command); 
}

在閱讀這部分源碼的時候，可以參考我們自己實現的線程池。其實最終的目的都是一樣的，就是這段被提交的線程，啟動執行、加入隊列、決策策略，這三種方式。

ctl.get()，取的是記錄線程狀態和線程個數的值，最終需要使用方法 workerCountOf()，來獲取當前線程數量。`workerCountOf 執行的是 c & CAPACITY 運算
根據當前線程池中線程數量，與核心線程數 corePoolSize 做對比，小于則進行添加線程到任務執行隊列。
如果說此時線程數已滿，那么則需要判斷線程池是否為運行狀態 isRunning(c)。如果是運行狀態則把不能被執行的線程放入線程隊列中。
放入線程隊列以后，還需要重新判斷線程是否運行以及移除操作，如果非運行且移除，則進行拒絕策略。否則判斷線程數量為0后添加新線程。
最后就是再次嘗試添加任務執行，此時方法 addWorker 的第二個入參是 false，最終會影響添加執行任務數量判斷。如果添加失敗則進行拒絕策略。

3.5 添加執行任務(addWorker)

圖 22-6 添加執行任務邏輯流程

「private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core)」

「第一部分、增加線程數量」

retry: 
for (;;) { 
    int c = ctl.get(); 
    int rs = runStateOf(c); 
    // Check if queue empty only if necessary. 
    if (rs >= SHUTDOWN && 
        ! (rs == SHUTDOWN && 
           firstTask == null && 
           ! workQueue.isEmpty())) 
        return false; 
    for (;;) { 
        int wc = workerCountOf(c); 
        if (wc >= CAPACITY || 
            wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) 
            return false; 
        if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) 
            break retry; 
        c = ctl.get();  // Re-read ctl 
        if (runStateOf(c) != rs) 
            continue retry; 
        // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop 
    } 
}

「第一部分、創建啟動線程」

boolean workerStarted = false; 
boolean workerAdded = false; 
Worker w = null; 
try { 
    w = new Worker(firstTask); 
    final Thread t = w.thread; 
    if (t != null) { 
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; 
        mainLock.lock(); 
        try { 
            int rs = runStateOf(ctl.get()); 
            if (rs < SHUTDOWN || 
                (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { 
                if (t.isAlive()) // precheck that t is startable 
                    throw new IllegalThreadStateException(); 
                workers.add(w); 
                int s = workers.size(); 
                if (s > largestPoolSize) 
                    largestPoolSize = s; 
                workerAdded = true; 
            } 
        } finally { 
            mainLock.unlock(); 
        } 
        if (workerAdded) { 
            t.start(); 
            workerStarted = true; 
        } 
    } 
} finally { 
    if (! workerStarted) 
        addWorkerFailed(w); 
} 
return workerStarted;

添加執行任務的流程可以分為兩塊看，上面代碼部分是用于記錄線程數量、下面代碼部分是在獨占鎖里創建執行線程并啟動。這部分代碼在不看鎖、CAS等操作，那么就和我們最開始手寫的線程池基本一樣了

if (rs >= SHUTDOWN &&! (rs == SHUTDOWN &&firstTask == null &&! workQueue.isEmpty()))，判斷當前線程池狀態，是否為 SHUTDOWN、STOP、TIDYING、TERMINATED中的一個。并且當前狀態為 SHUTDOWN、且傳入的任務為 null，同時隊列不為空。那么就返回 false。
compareAndIncrementWorkerCount，CAS 操作，增加線程數量，成功就會跳出標記的循環體。
runStateOf(c) != rs，最后是線程池狀態判斷，決定是否循環。
在線程池數量記錄成功后，則需要進入加鎖環節，創建執行線程，并記錄狀態。在最后如果判斷沒有啟動成功，則需要執行 addWorkerFailed 方法，剔除到線程方法等操作。

3.6 執行線程(runWorker)

final void runWorker(Worker w) { 
    Thread wt = Thread.currentThread(); 
    Runnable task = w.firstTask; 
    w.firstTask = null; 
    w.unlock(); // 允許中斷 
    boolean completedAbruptly = true; 
    try { 
        while (task != null || (task = getTask()) != null)  
            w.lock(); 
            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) || 
                 (Thread.interrupted() && 
                  runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) && 
                !wt.isInterrupted()) 
                wt.interrupt(); 
            try { 
                beforeExecute(wt, task); 
                Throwable thrown = null; 
                try { 
                    task.run(); 
                } finally { 
                    afterExecute(task, thrown); 
                } 
            } finally { 
                task = null; 
                w.completedTasks++; 
                w.unlock(); 
            } 
        } 
        completedAbruptly = false; 
    } finally { 
        processWorkerExit(w, completedAbruptly); 
    } 
}

「其實」，有了手寫線程池的基礎，到這也就基本了解了，線程池在干嘛。到這最核心的點就是 task.run() 讓線程跑起來。額外再附帶一些其他流程如下;

beforeExecute、afterExecute，線程執行的前后做一些統計信息。
另外這里的鎖操作是 Worker 繼承 AQS 自己實現的不可重入的獨占鎖。
processWorkerExit，如果你感興趣，類似這樣的方法也可以深入了解下。在線程退出時候workers做到一些移除處理以及完成任務數等，也非常有意思

3.7 隊列獲取任務(getTask)

如果你已經開始閱讀源碼，可以在 runWorker 方法中，看到這樣一句循環代碼 while (task != null || (task = getTask()) != null)。這與我們手寫線程池中操作的方式是一樣的，核心目的就是從隊列中獲取線程方法。

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. 
        if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) { 
            decrementWorkerCount(); 
            return null; 
        } 
        int wc = workerCountOf(c); 
        // Are workers subject to culling? 
        boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; 
        if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) 
            && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { 
            if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) 
                return null; 
            continue; 
        } 
        try { 
            Runnable r = timed ? 
                workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : 
                workQueue.take(); 
            if (r != null) 
                return r; 
            timedOut = true; 
        } catch (InterruptedException retry) { 
            timedOut = false; 
        } 
    } 
}

getTask 方法從阻塞隊列中獲取等待被執行的任務，也就是一條條往出拿線程方法。
if (rs >= SHUTDOWN ...，判斷線程是否關閉。
wc = workerCountOf(c)，wc > corePoolSize，如果工作線程數超過核心線程數量 corePoolSize 并且 workQueue 不為空，則增加工作線程。但如果超時未獲取到線程，則會把大于 corePoolSize 的線程銷毀掉。
timed，是 allowCoreThreadTimeOut 得來的。最終 timed 為 true 時，則通過阻塞隊列的poll方法進行超時控制。
如果在 keepAliveTime 時間內沒有獲取到任務，則返回null。如果為false，則阻塞。

四、總結

這一章節并沒有完全把線程池的所有知識點都介紹完，否則一篇內容會有些臃腫。在這一章節我們從手寫線程池開始，逐步的分析這些代碼在Java的線程池中是如何實現的，涉及到的知識點也幾乎是我們以前介紹過的內容，包括：隊列、CAS、AQS、重入鎖、獨占鎖等內容。所以這些知識也基本是環環相扣的，最好有一些根基否則會有些不好理解。

除了本章介紹的，我們還沒有講到線程的銷毀過程、四種線程池方法的選擇和使用、以及在CPU密集型任務、IO 密集型任務時該怎么配置。另外在Spring中也有自己實現的線程池方法。這些知識點都非常貼近實際操作。

好了，今天的內容先扯到這，后續的內容陸續完善。如果以上內容有錯字、流程缺失、或者不好理解以及描述錯誤，歡迎留言。互相學習、互相進步。

責任編輯：武曉燕來源： bugstack蟲洞棧

線程池線程方法