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目錄

一、前言

二、面試題

三、線程池講解

• 1. 先看個(gè)例子
• 2. 手寫(xiě)一個(gè)線程池
• 3. 線程池源碼分析

四、總結(jié)

一、前言

人看手機(jī)，機(jī)器學(xué)習(xí)!

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

當(dāng)意識(shí)到這一點(diǎn)時(shí)，其實(shí)非常懷念小時(shí)候。放假的早上跑出去，喊上三五個(gè)伙伴，要不下河摸摸魚(yú)、彈彈玻璃球、打打pia、跳跳房子!一天下來(lái)真的不會(huì)感覺(jué)累，但現(xiàn)在如果是放假的一天，你的娛樂(lè)安排，很多時(shí)候會(huì)讓頭很累!

「就像」，你有試過(guò)學(xué)習(xí)一天英語(yǔ)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(shí)到了，那么爭(zhēng)取放下一會(huì)手機(jī)，適當(dāng)娛樂(lè)，鍛煉保持個(gè)好身體!

二、面試題

謝飛機(jī)，小記!，上次吃虧在線程上，這次可能一次坑掉兩次了!

「謝飛機(jī)」：你問(wèn)吧，我準(zhǔn)備好了!!!

「面試官」：嗯，線程池狀態(tài)是如何設(shè)計(jì)存儲(chǔ)的?

「謝飛機(jī)」：這!下一個(gè)，下一個(gè)!

「面試官」：Worker 的實(shí)現(xiàn)類(lèi)，為什么不使用 ReentrantLock 來(lái)實(shí)現(xiàn)呢，而是自己繼承AQS?

「謝飛機(jī)」：我...!

「面試官」：那你簡(jiǎn)述下，execute 的執(zhí)行過(guò)程吧!

「謝飛機(jī)」：再見(jiàn)!

三、線程池講解

1. 先看個(gè)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(chuàng)建線程池的例子，相信你已經(jīng)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(fù)創(chuàng)建線程帶來(lái)的資源消耗。因此引入一個(gè)池化技術(shù)的思想，避免重復(fù)創(chuàng)建、銷(xiāo)毀帶來(lái)的性能開(kāi)銷(xiāo)。

「那么」，接下來(lái)我們就通過(guò)實(shí)踐的方式分析下這個(gè)池子的構(gòu)造，看看它是如何處理線程的。

2. 手寫(xiě)一個(gè)線程池

2.1 實(shí)現(xiàn)流程

為了更好的理解和分析關(guān)于線程池的源碼，我們先來(lái)按照線程池的思想，手寫(xiě)一個(gè)非常簡(jiǎn)單的線程池。

其實(shí)很多時(shí)候一段功能代碼的核心主邏輯可能并沒(méi)有多復(fù)雜，但為了讓核心流程順利運(yùn)行，就需要額外添加很多分支的輔助流程。就像我常說(shuō)的，為了保護(hù)手才把擦屁屁紙弄那么大!

圖 21-1 線程池簡(jiǎn)化流程

關(guān)于圖 21-1，這個(gè)手寫(xiě)線程池的實(shí)現(xiàn)也非常簡(jiǎn)單，只會(huì)體現(xiàn)出核心流程，包括：

有n個(gè)一直在運(yùn)行的線程，相當(dāng)于我們創(chuàng)建線程池時(shí)允許的線程池大小。

把線程提交給線程池運(yùn)行。

如果運(yùn)行線程池已滿，則把線程放入隊(duì)列中。

最后當(dāng)有空閑時(shí)，則獲取隊(duì)列中線程進(jìn)行運(yùn)行。

2.2 實(shí)現(xiàn)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(wù)編號(hào)：" + finalI); 
            }); 
        } 
    } 
 
} 
 
// 測(cè)試結(jié)果 
 
任務(wù)編號(hào)：1 
任務(wù)編號(hào)：0 
workQueue.size：8 
workQueue.size：8 
任務(wù)編號(hào)：3 
workQueue.size：6 
任務(wù)編號(hào)：2 
workQueue.size：5 
任務(wù)編號(hào)：5 
workQueue.size：4 
任務(wù)編號(hào)：4 
workQueue.size：3 
任務(wù)編號(hào)：7 
workQueue.size：2 
任務(wù)編號(hào)：6 
workQueue.size：1 
任務(wù)編號(hào)：8 
任務(wù)編號(hào)：9 
workQueue.size：0 
workQueue.size：0 

「以上」，關(guān)于線程池的實(shí)現(xiàn)還是非常簡(jiǎn)單的，從測(cè)試結(jié)果上已經(jīng)可以把最核心的池化思想體現(xiàn)出來(lái)了。主要功能邏輯包括：

• ctl，用于記錄線程池中線程數(shù)量。
• corePoolSize、maximumPoolSize，用于限制線程池容量。
• workQueue，線程池隊(duì)列，也就是那些還不能被及時(shí)運(yùn)行的線程，會(huì)被裝入到這個(gè)隊(duì)列中。
• execute，用于提交線程，這個(gè)是通用的接口方法。在這個(gè)方法里主要實(shí)現(xiàn)的就是，當(dāng)前提交的線程是加入到worker、隊(duì)列還是放棄。
• addWorker，主要是類(lèi) Worker 的具體操作，創(chuàng)建并執(zhí)行線程。這里還包括了 getTask() 方法，也就是從隊(duì)列中不斷的獲取未被執(zhí)行的線程。

「好」，那么以上呢，就是這個(gè)簡(jiǎn)單線程池實(shí)現(xiàn)的具體體現(xiàn)。但如果深思熟慮就會(huì)發(fā)現(xiàn)這里需要很多完善，比如：線程池狀態(tài)呢，不可能一直奔跑呀!?、線程池的鎖呢，不會(huì)有并發(fā)問(wèn)題嗎?、線程池拒絕后的策略呢?，這些問(wèn)題都沒(méi)有在主流程解決，也正因?yàn)闆](méi)有這些流程，所以上面的代碼才更容易理解。

接下來(lái)，我們就開(kāi)始分析線程池的源碼，與我們實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單線程池參考對(duì)比，會(huì)更加容易理解??!

3. 線程池源碼分析

3.1 線程池類(lèi)關(guān)系圖

圖 21-2 線程池類(lèi)關(guān)系圖

以圍繞核心類(lèi) ThreadPoolExecutor 的實(shí)現(xiàn)展開(kāi)的類(lèi)之間實(shí)現(xiàn)和繼承關(guān)系，如圖 21-2 線程池類(lèi)關(guān)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(lèi) AbstractExecutorService，實(shí)現(xiàn)了基本通用的接口方法。
• ThreadPoolExecutor，是整個(gè)線程池最核心的工具類(lèi)方法，所有的其他類(lèi)和接口，為圍繞這個(gè)類(lèi)來(lái)提供各自的功能。
• Worker，是任務(wù)類(lèi)，也就是最終執(zhí)行的線程的方法。
• RejectedExecutionHandler，是拒絕策略接口，有四個(gè)實(shí)現(xiàn)類(lèi);AbortPolicy(拋異常方式拒絕)、DiscardPolicy(直接丟棄)、DiscardOldestPolicy(丟棄存活時(shí)間最長(zhǎng)的任務(wù))、CallerRunsPolicy(誰(shuí)提交誰(shuí)執(zhí)行)。
• Executors，是用于創(chuàng)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(tài)，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(shí)現(xiàn)類(lèi)中，使用 AtomicInteger 類(lèi)型的 ctl 記錄線程池狀態(tài)和線程池?cái)?shù)量。在一個(gè)類(lèi)型上記錄多個(gè)值，它采用的分割數(shù)據(jù)區(qū)域，高3位記錄狀態(tài)，低29位存儲(chǔ)線程數(shù)量，默認(rèn) RUNNING 狀態(tài)，線程數(shù)為0個(gè)。

3.2 線程池狀態(tài)

圖 22-4 線程池狀態(tài)流轉(zhuǎn)

圖 22-4 是線程池中的狀態(tài)流轉(zhuǎn)關(guān)系，包括如下?tīng)顟B(tài)：

• RUNNING：運(yùn)行狀態(tài)，接受新的任務(wù)并且處理隊(duì)列中的任務(wù)。
• SHUTDOWN：關(guān)閉狀態(tài)(調(diào)用了shutdown方法)。不接受新任務(wù)，,但是要處理隊(duì)列中的任務(wù)。
• STOP：停止?fàn)顟B(tài)(調(diào)用了shutdownNow方法)。不接受新任務(wù)，也不處理隊(duì)列中的任務(wù)，并且要中斷正在處理的任務(wù)。
• TIDYING：所有的任務(wù)都已終止了，workerCount為0，線程池進(jìn)入該狀態(tài)后會(huì)調(diào) terminated() 方法進(jìn)入TERMINATED 狀態(tài)。
• TERMINATED：終止?fàn)顟B(tài)，terminated() 方法調(diào)用結(jié)束后的狀態(tài)。

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(shí)候，可以參考我們自己實(shí)現(xiàn)的線程池。其實(shí)最終的目的都是一樣的，就是這段被提交的線程，啟動(dòng)執(zhí)行、加入隊(duì)列、決策策略，這三種方式。

• ctl.get()，取的是記錄線程狀態(tài)和線程個(gè)數(shù)的值，最終需要使用方法 workerCountOf()，來(lái)獲取當(dāng)前線程數(shù)量。`workerCountOf 執(zhí)行的是 c & CAPACITY 運(yùn)算
• 根據(jù)當(dāng)前線程池中線程數(shù)量，與核心線程數(shù) corePoolSize 做對(duì)比，小于則進(jìn)行添加線程到任務(wù)執(zhí)行隊(duì)列。
• 如果說(shuō)此時(shí)線程數(shù)已滿，那么則需要判斷線程池是否為運(yùn)行狀態(tài) isRunning(c)。如果是運(yùn)行狀態(tài)則把不能被執(zhí)行的線程放入線程隊(duì)列中。
• 放入線程隊(duì)列以后，還需要重新判斷線程是否運(yùn)行以及移除操作，如果非運(yùn)行且移除，則進(jìn)行拒絕策略。否則判斷線程數(shù)量為0后添加新線程。
• 最后就是再次嘗試添加任務(wù)執(zhí)行，此時(shí)方法 addWorker 的第二個(gè)入?yún)⑹? false，最終會(huì)影響添加執(zhí)行任務(wù)數(shù)量判斷。如果添加失敗則進(jìn)行拒絕策略。

3.5 添加執(zhí)行任務(wù)(addWorker)

圖 22-6 添加執(zhí)行任務(wù)邏輯流程

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

「第一部分、增加線程數(shù)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(chuàng)建啟動(dòng)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(zhí)行任務(wù)的流程可以分為兩塊看，上面代碼部分是用于記錄線程數(shù)量、下面代碼部分是在獨(dú)占鎖里創(chuàng)建執(zhí)行線程并啟動(dòng)。這部分代碼在不看鎖、CAS等操作，那么就和我們最開(kāi)始手寫(xiě)的線程池基本一樣了

• if (rs >= SHUTDOWN &&! (rs == SHUTDOWN &&firstTask == null &&! workQueue.isEmpty()))，判斷當(dāng)前線程池狀態(tài)，是否為 SHUTDOWN、STOP、TIDYING、TERMINATED中的一個(gè)。并且當(dāng)前狀態(tài)為 SHUTDOWN、且傳入的任務(wù)為 null，同時(shí)隊(duì)列不為空。那么就返回 false。
• compareAndIncrementWorkerCount，CAS 操作，增加線程數(shù)量，成功就會(huì)跳出標(biāo)記的循環(huán)體。
• runStateOf(c) != rs，最后是線程池狀態(tài)判斷，決定是否循環(huán)。
• 在線程池?cái)?shù)量記錄成功后，則需要進(jìn)入加鎖環(huán)節(jié)，創(chuàng)建執(zhí)行線程，并記錄狀態(tài)。在最后如果判斷沒(méi)有啟動(dòng)成功，則需要執(zhí)行 addWorkerFailed 方法，剔除到線程方法等操作。

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

• beforeExecute、afterExecute，線程執(zhí)行的前后做一些統(tǒng)計(jì)信息。
• 另外這里的鎖操作是 Worker 繼承 AQS 自己實(shí)現(xiàn)的不可重入的獨(dú)占鎖。
• processWorkerExit，如果你感興趣，類(lèi)似這樣的方法也可以深入了解下。在線程退出時(shí)候workers做到一些移除處理以及完成任務(wù)數(shù)等，也非常有意思

3.7 隊(duì)列獲取任務(wù)(getTask)

如果你已經(jīng)開(kāi)始閱讀源碼，可以在 runWorker 方法中，看到這樣一句循環(huán)代碼 while (task != null || (task = getTask()) != null)。這與我們手寫(xiě)線程池中操作的方式是一樣的，核心目的就是從隊(duì)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(duì)列中獲取等待被執(zhí)行的任務(wù)，也就是一條條往出拿線程方法。
• if (rs >= SHUTDOWN ...，判斷線程是否關(guān)閉。
• wc = workerCountOf(c)，wc > corePoolSize，如果工作線程數(shù)超過(guò)核心線程數(shù)量 corePoolSize 并且 workQueue 不為空，則增加工作線程。但如果超時(shí)未獲取到線程，則會(huì)把大于 corePoolSize 的線程銷(xiāo)毀掉。
• timed，是 allowCoreThreadTimeOut 得來(lái)的。最終 timed 為 true 時(shí)，則通過(guò)阻塞隊(duì)列的poll方法進(jìn)行超時(shí)控制。
• 如果在 keepAliveTime 時(shí)間內(nèi)沒(méi)有獲取到任務(wù)，則返回null。如果為false，則阻塞。

四、總結(jié)

這一章節(jié)并沒(méi)有完全把線程池的所有知識(shí)點(diǎn)都介紹完，否則一篇內(nèi)容會(huì)有些臃腫。在這一章節(jié)我們從手寫(xiě)線程池開(kāi)始，逐步的分析這些代碼在Java的線程池中是如何實(shí)現(xiàn)的，涉及到的知識(shí)點(diǎn)也幾乎是我們以前介紹過(guò)的內(nèi)容，包括：隊(duì)列、CAS、AQS、重入鎖、獨(dú)占鎖等內(nèi)容。所以這些知識(shí)也基本是環(huán)環(huán)相扣的，最好有一些根基否則會(huì)有些不好理解。

除了本章介紹的，我們還沒(méi)有講到線程的銷(xiāo)毀過(guò)程、四種線程池方法的選擇和使用、以及在CPU密集型任務(wù)、IO 密集型任務(wù)時(shí)該怎么配置。另外在Spring中也有自己實(shí)現(xiàn)的線程池方法。這些知識(shí)點(diǎn)都非常貼近實(shí)際操作。

好了，今天的內(nèi)容先扯到這，后續(xù)的內(nèi)容陸續(xù)完善。如果以上內(nèi)容有錯(cuò)字、流程缺失、或者不好理解以及描述錯(cuò)誤，歡迎留言?；ハ鄬W(xué)習(xí)、互相進(jìn)步。