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【高并发】通过源码深度解析ThreadPoolExecutor类

【高并发】通过源码深度解析ThreadPoolExecutor类

作者: 冰河团队 | 来源:发表于2022-08-30 09:57 被阅读0次

    大家好,我是冰河~~

    对于线程池的核心类ThreadPoolExecutor来说,有哪些重要的属性和内部类为线程池的正确运行提供重要的保障呢?

    ThreadPoolExecutor类中的重要属性

    在ThreadPoolExecutor类中,存在几个非常重要的属性和方法,接下来,我们就介绍下这些重要的属性和方法。

    ctl相关的属性

    AtomicInteger类型的常量ctl是贯穿线程池整个生命周期的重要属性,它是一个原子类对象,主要用来保存线程的数量和线程池的状态,我们看下与这个属性相关的代码如下所示。

    //主要用来保存线程数量和线程池的状态,高3位保存线程状态,低29位保存线程数量
    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
    //线程池中线程的数量的位数(32-3)
    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
    //表示线程池中的最大线程数量
    //将数字1的二进制值向右移29位,再减去1
    private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;
    //线程池的运行状态
    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;
    //获取线程状态
    private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
    //获取线程数量
    private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
    private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
    private static boolean runStateLessThan(int c, int s) {
        return c < s;
    }
    private static boolean runStateAtLeast(int c, int s) {
        return c >= s;
    }
    private static boolean isRunning(int c) {
        return c < SHUTDOWN;
    }
    private boolean compareAndIncrementWorkerCount(int expect) {
        return ctl.compareAndSet(expect, expect + 1);
    }
    private boolean compareAndDecrementWorkerCount(int expect) {
        return ctl.compareAndSet(expect, expect - 1);
    }
    private void decrementWorkerCount() {
        do {} while (! compareAndDecrementWorkerCount(ctl.get()));
    }
    

    对于线程池的各状态说明如下所示。

    • RUNNING:运行状态,能接收新提交的任务,并且也能处理阻塞队列中的任务
    • SHUTDOWN: 关闭状态,不能再接收新提交的任务,但是可以处理阻塞队列中已经保存的任务,当线程池处于RUNNING状态时,调用shutdown()方法会使线程池进入该状态
    • STOP: 不能接收新任务,也不能处理阻塞队列中已经保存的任务,会中断正在处理任务的线程,如果线程池处于RUNNING或SHUTDOWN状态,调用shutdownNow()方法,会使线程池进入该状态
    • TIDYING: 如果所有的任务都已经终止,有效线程数为0(阻塞队列为空,线程池中的工作线程数量为0),线程池就会进入该状态。
    • TERMINATED: 处于TIDYING状态的线程池调用terminated ()方法,会使用线程池进入该状态

    也可以按照ThreadPoolExecutor类的注释,将线程池的各状态之间的转化总结成如下图所示。

    • RUNNING -> SHUTDOWN:显式调用shutdown()方法, 或者隐式调用了finalize()方法
    • (RUNNING or SHUTDOWN) -> STOP:显式调用shutdownNow()方法
    • SHUTDOWN -> TIDYING:当线程池和任务队列都为空的时候
    • STOP -> TIDYING:当线程池为空的时候
    • TIDYING -> TERMINATED:当 terminated() hook 方法执行完成时候

    其他重要属性

    除了ctl相关的属性外,ThreadPoolExecutor类中其他一些重要的属性如下所示。

    //用于存放任务的阻塞队列  
    private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
    //可重入锁
    private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
    //存放线程池中线程的集合,访问这个集合时,必须获得mainLock锁
    private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
    //在锁内部阻塞等待条件完成
    private final Condition termination = mainLock.newCondition();
    //线程工厂,以此来创建新线程
    private volatile ThreadFactory threadFactory;
    //拒绝策略
    private volatile RejectedExecutionHandler handler;
    //默认的拒绝策略
    private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy();
    

    ThreadPoolExecutor类中的重要内部类

    在ThreadPoolExecutor类中存在对于线程池的执行至关重要的内部类,Worker内部类和拒绝策略内部类。接下来,我们分别看这些内部类。

    Worker内部类

    Worker类从源代码上来看,实现了Runnable接口,说明其本质上是一个用来执行任务的线程,接下来,我们看下Worker类的源代码,如下所示。

    private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable{
        private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;
        //真正执行任务的线程
        final Thread thread;
        //第一个Runnable任务,如果在创建线程时指定了需要执行的第一个任务
        //则第一个任务会存放在此变量中,此变量也可以为null
        //如果为null,则线程启动后,通过getTask方法到BlockingQueue队列中获取任务
        Runnable firstTask;
        //用于存放此线程完全的任务数,注意:使用了volatile关键字
        volatile long completedTasks;
        
        //Worker类唯一的构造放大,传递的firstTask可以为null
        Worker(Runnable firstTask) {
            //防止在调用runWorker之前被中断
            setState(-1);
            this.firstTask = firstTask;
            //使用ThreadFactory 来创建一个新的执行任务的线程
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
        }
        //调用外部ThreadPoolExecutor类的runWorker方法执行任务
        public void run() {
            runWorker(this);
        }
    
        //是否获取到锁 
        //state=0表示锁未被获取
        //state=1表示锁被获取
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() != 0;
        }
    
        protected boolean tryAcquire(int unused) {
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }
    
        protected boolean tryRelease(int unused) {
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }
    
        public void lock()        { acquire(1); }
        public boolean tryLock()  { return tryAcquire(1); }
        public void unlock()      { release(1); }
        public boolean isLocked() { return isHeldExclusively(); }
    
        void interruptIfStarted() {
            Thread t;
            if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) {
                try {
                    t.interrupt();
                } catch (SecurityException ignore) {
                }
            }
        }
    }
    

    在Worker类的构造方法中,可以看出,首先将同步状态state设置为-1,设置为-1是为了防止runWorker方法运行之前被中断。这是因为如果其他线程调用线程池的shutdownNow()方法时,如果Worker类中的state状态的值大于0,则会中断线程,如果state状态的值为-1,则不会中断线程。

    Worker类实现了Runnable接口,需要重写run方法,而Worker的run方法本质上调用的是ThreadPoolExecutor类的runWorker方法,在runWorker方法中,会首先调用unlock方法,该方法会将state置为0,所以这个时候调用shutDownNow方法就会中断当前线程,而这个时候已经进入了runWork方法,就不会在还没有执行runWorker方法的时候就中断线程。

    注意:大家需要重点理解Worker类的实现。

    拒绝策略内部类

    在线程池中,如果workQueue阻塞队列满了,并且没有空闲的线程池,此时,继续提交任务,需要采取一种策略来处理这个任务。而线程池总共提供了四种策略,如下所示。

    • 直接抛出异常,这也是默认的策略。实现类为AbortPolicy。
    • 用调用者所在的线程来执行任务。实现类为CallerRunsPolicy。
    • 丢弃队列中最靠前的任务并执行当前任务。实现类为DiscardOldestPolicy。
    • 直接丢弃当前任务。实现类为DiscardPolicy。

    在ThreadPoolExecutor类中提供了4个内部类来默认实现对应的策略,如下所示。

    public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    
        public CallerRunsPolicy() { }
    
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            if (!e.isShutdown()) {
                r.run();
            }
        }
    }
    
    public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    
        public AbortPolicy() { }
    
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() + " rejected from " + e.toString());
        }
    }
    
    public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    
        public DiscardPolicy() { }
    
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
        }
    }
    
    public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    
        public DiscardOldestPolicy() { }
    
    
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            if (!e.isShutdown()) {
                e.getQueue().poll();
                e.execute(r);
            }
        }
    }
    

    我们也可以通过实现RejectedExecutionHandler接口,并重写RejectedExecutionHandler接口的rejectedExecution方法来自定义拒绝策略,在创建线程池时,调用ThreadPoolExecutor的构造方法,传入我们自己写的拒绝策略。

    例如,自定义的拒绝策略如下所示。

    public class CustomPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    
        public CustomPolicy() { }
    
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
            if (!e.isShutdown()) {
                System.out.println("使用调用者所在的线程来执行任务")
                r.run();
            }
        }
    }
    

    使用自定义拒绝策略创建线程池。

    new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                           60L, TimeUnit.SECONDS,
                           new SynchronousQueue<Runnable>(),
                           Executors.defaultThreadFactory(),
                   new CustomPolicy());
    

    今天就到这儿吧,我是冰河,我们下期见~~

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