作者：小傅哥
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沉淀、分享、成長，讓自己和他人都能有所收獲！😄
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！
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！
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，這可能一次坑掉兩次嗎！
謝飛機：你問吧，我准備好了！！！
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();
這是一段用於創建線程池的例子，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於線程池的源碼，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並沒有多復雜，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！
關於圖 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，相當於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，關於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，用於記錄線程池中線程數量。corePoolSize、maximumPoolSize，用於限制線程池容量。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，用於提交線程，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，創建並執行線程。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，不會有並發問題嗎？、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
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，是用於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
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 是線程池中的狀態流轉關系，包括如下狀態：
RUNNING：運行狀態，接受新的任務並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，並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)
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，小於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)
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，上面代碼部分是用於記錄線程數量、下面代碼部分是在獨占鎖里創建執行線程並啟動。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。並且當前狀態為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，並記錄狀態。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並且 workQueue 不為空，則增加工作線程。但如果超時未獲取到線程，則會把大於 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
- 這一章節並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。