手寫一個線程池,帶你學習ThreadPoolExecutor線程池實現原理


摘要: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。

本文分享自華為雲社區《手寫線程池,對照學習ThreadPoolExecutor線程池實現原理!》,作者:小傅哥。

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!

一、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:

  1. 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。
  2. 把線程提交給線程池運行。
  3. 如果運行線程池已滿,則把線程放入隊列中。
  4. 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。

二、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。

 

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