一、线程池状态

ThreadPoolExecutor 是 JDK 中的线程池实现，这个类实现了一个线程池需要的各个方法，它实现了任务提交、线程管理、监控等等方法。

原理图：

private final AtomicIntegerctl =new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

    // 这里 COUNT_BITS 设置为 29(32-3)，意味着前三位用于存放线程状态，后29位用于存放线程数

// 很多初学者很喜欢在自己的代码中写很多 29 这种数字，或者某个特殊的字符串，然后分布在各个地方，这是非常糟糕的

    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE -3;

    // 000 11111111111111111111111111111

// 这里得到的是 29 个 1，也就是说线程池的最大线程数是 2^29-1=536870911

// 以我们现在计算机的实际情况，这个数量还是够用的

    private static final int CAPACITY  = (1 <

    // 我们说了，线程池的状态存放在高 3 位中

// 运算结果为 111跟29个0：111 00000000000000000000000000000

    private static final int RUNNING    = -1 <

    // 000 00000000000000000000000000000

    private static final int SHUTDOWN  =0 <

    // 001 00000000000000000000000000000

    private static final int STOP      =1 <

    // 010 00000000000000000000000000000

    private static final int TIDYING    =2 <

    // 011 00000000000000000000000000000

    private static final int TERMINATED =3 <

    // 将整数 c 的低 29 位修改为 0，就得到了线程池的状态

    private static int runStateOf(int c)    {return c & ~CAPACITY; }

// 将整数 c 的高 3 为修改为 0，就得到了线程池中的线程数

    private static int workerCountOf(int c)  {return c &CAPACITY; }

private static int ctlOf(int rs, int wc) {return rs | wc; }

/*

* Bit field accessors that don't require unpacking ctl.

* These depend on the bit layout and on workerCount being never negative.

*/

    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

    }

RUNNING：这个没什么好说的，这是最正常的状态：接受新的任务，处理等待队列中的任务

SHUTDOWN：不接受新的任务提交，但是会继续处理等待队列中的任务

STOP：不接受新的任务提交，不再处理等待队列中的任务，中断正在执行任务的线程

TIDYING：所有的任务都销毁了，workCount 为 0。线程池的状态在转换为 TIDYING 状态时，会执行钩子方法 terminated()

TERMINATED：terminated() 方法结束后，线程池的状态就会变成这个

二、Worker对象设计

private final class Worker

extends AbstractQueuedSynchronizer

implements Runnable

{

private static final long serialVersionUID =6138294804551838833L;

    // 这个是真正的线程，任务靠你啦

    final Threadthread;

    // 前面说了，这里的 Runnable 是任务。为什么叫 firstTask？因为在创建线程的时候，如果同时指定了

// 这个线程起来以后需要执行的第一个任务，那么第一个任务就是存放在这里的(线程可不止执行这一个任务)

// 当然了，也可以为 null，这样线程起来了，自己到任务队列（BlockingQueue）中取任务（getTask 方法）就行了

    RunnablefirstTask;

    // 用于存放此线程完全的任务数，注意了，这里用了 volatile，保证可见性

    volatile long completedTasks;

    // Worker 只有这一个构造方法，传入 firstTask，也可以传 null

    Worker(Runnable firstTask) {

setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker

        this.firstTask = firstTask;

        // 调用 ThreadFactory 来创建一个新的线程

        this.thread = getThreadFactory().newThread(this);

    }

// 这里调用了外部类的 runWorker 方法

    public void run() {

runWorker(this);

    }

...// 其他几个方法没什么好看的，就是用 AQS 操作，来获取这个线程的执行权，用了独占锁

}

三、execute

public void execute(Runnable command) {

if (command ==null)

throw new NullPointerException();

    // 前面说的那个表示 “线程池状态” 和 “线程数” 的整数

    int c = ctl.get();

    // 如果当前线程数少于核心线程数，那么直接添加一个 worker 来执行任务，

// 创建一个新的线程，并把当前任务 command 作为这个线程的第一个任务(firstTask)

    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {

// 添加任务成功，那么就结束了。提交任务嘛，线程池已经接受了这个任务，这个方法也就可以返回了

// 至于执行的结果，到时候会包装到 FutureTask 中。

// 返回 false 代表线程池不允许提交任务

        if (addWorker(command, true))

return;

        c = ctl.get();

    }

// 到这里说明，要么当前线程数大于等于核心线程数，要么刚刚 addWorker 失败了

// 如果线程池处于 RUNNING 状态，把这个任务添加到任务队列 workQueue 中

    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {

/* 这里面说的是，如果任务进入了 workQueue，我们是否需要开启新的线程

* 因为线程数在 [0, corePoolSize) 是无条件开启新的线程

* 如果线程数已经大于等于 corePoolSize，那么将任务添加到队列中，然后进到这里

*/

        int recheck = ctl.get();

        // 如果线程池已不处于 RUNNING 状态，那么移除已经入队的这个任务，并且执行拒绝策略

        if (! isRunning(recheck) && remove(command))

reject(command);

            // 如果线程池还是 RUNNING 的，并且线程数为 0，那么开启新的线程

// 到这里，我们知道了，这块代码的真正意图是：担心任务提交到队列中了，但是线程都关闭了

        else if (workerCountOf(recheck) ==0)

addWorker(null, false);

    }

// 如果 workQueue 队列满了，那么进入到这个分支

// 以 maximumPoolSize 为界创建新的 worker，

// 如果失败，说明当前线程数已经达到 maximumPoolSize，执行拒绝策略

    else if (!addWorker(command, false))

reject(command);

}

四、添加任务

// 第一个参数是准备提交给这个线程执行的任务，之前说了，可以为 null

// 第二个参数为 true 代表使用核心线程数 corePoolSize 作为创建线程的界线，也就说创建这个线程的时候，

//        如果线程池中的线程总数已经达到 corePoolSize，那么不能响应这次创建线程的请求

//        如果是 false，代表使用最大线程数 maximumPoolSize 作为界线

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {

retry:

for (;;) {

int c = ctl.get();

        int rs = runStateOf(c);

        // 这个非常不好理解

// 如果线程池已关闭，并满足以下条件之一，那么不创建新的 worker：

// 1. 线程池状态大于 SHUTDOWN，其实也就是 STOP, TIDYING, 或 TERMINATED

// 2. firstTask != null

// 3. workQueue.isEmpty()

// 简单分析下：

// 还是状态控制的问题，当线程池处于 SHUTDOWN 的时候，不允许提交任务，但是已有的任务继续执行

// 当状态大于 SHUTDOWN 时，不允许提交任务，且中断正在执行的任务

// 多说一句：如果线程池处于 SHUTDOWN，但是 firstTask 为 null，且 workQueue 非空，那么是允许创建 worker 的

        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;

            // 如果成功，那么就是所有创建线程前的条件校验都满足了，准备创建线程执行任务了

// 这里失败的话，说明有其他线程也在尝试往线程池中创建线程

            if (compareAndIncrementWorkerCount(c))

break retry;

            // 由于有并发，重新再读取一下 ctl

            c = ctl.get();

            // 正常如果是 CAS 失败的话，进到下一个里层的for循环就可以了

// 可是如果是因为其他线程的操作，导致线程池的状态发生了变更，如有其他线程关闭了这个线程池

// 那么需要回到外层的for循环

            if (runStateOf(c) != rs)

continue retry;

            // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop

        }

}

/*

* 到这里，我们认为在当前这个时刻，可以开始创建线程来执行任务了，

* 因为该校验的都校验了，至于以后会发生什么，那是以后的事，至少当前是满足条件的

*/

// worker 是否已经启动

    boolean workerStarted =false;

    // 是否已将这个 worker 添加到 workers 这个 HashSet 中

    boolean workerAdded =false;

    Worker w =null;

    try {

final ReentrantLock mainLock =this.mainLock;

        // 把 firstTask 传给 worker 的构造方法

        w =new Worker(firstTask);

        // 取 worker 中的线程对象，之前说了，Worker的构造方法会调用 ThreadFactory 来创建一个新的线程

        final Thread t = w.thread;

        if (t !=null) {

// 这个是整个类的全局锁，持有这个锁才能让下面的操作“顺理成章”，

// 因为关闭一个线程池需要这个锁，至少我持有锁的期间，线程池不会被关闭

            mainLock.lock();

            try {

int c = ctl.get();

                int rs = runStateOf(c);

                // 小于 SHUTTDOWN 那就是 RUNNING，这个自不必说，是最正常的情况

// 如果等于 SHUTDOWN，前面说了，不接受新的任务，但是会继续执行等待队列中的任务

                if (rs < SHUTDOWN ||

(rs == SHUTDOWN && firstTask ==null)) {

// worker 里面的 thread 可不能是已经启动的

                    if (t.isAlive())

throw new IllegalThreadStateException();

                    // 加到 workers 这个 HashSet 中

                    workers.add(w);

                    int s = workers.size();

                    // largestPoolSize 用于记录 workers 中的个数的最大值

// 因为 workers 是不断增加减少的，通过这个值可以知道线程池的大小曾经达到的最大值

                    if (s > largestPoolSize)

largestPoolSize = s;

                    workerAdded =true;

                }

}finally {

mainLock.unlock();

            }

// 添加成功的话，启动这个线程

            if (workerAdded) {

// 启动线程

                t.start();

                workerStarted =true;

            }

}

}finally {

// 如果线程没有启动，需要做一些清理工作，如前面 workCount 加了 1，将其减掉

        if (! workerStarted)

addWorkerFailed(w);

    }

// 返回线程是否启动成功

    return workerStarted;

}

五、执行任务

// 此方法由 worker 线程启动后调用，这里用一个 while 循环来不断地从等待队列中获取任务并执行

// 前面说了，worker 在初始化的时候，可以指定 firstTask，那么第一个任务也就可以不需要从队列中获取

final void runWorker(Worker w) {

//

    Thread wt = Thread.currentThread();

    // 该线程的第一个任务(如果有的话)

    Runnable task = w.firstTask;

    w.firstTask =null;

    w.unlock(); // allow interrupts

    boolean completedAbruptly =true;

    try {

// 循环调用 getTask 获取任务

        while (task !=null || (task = getTask()) !=null) {

w.lock();

            // 如果线程池状态大于等于 STOP，那么意味着该线程也要中断

            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||

(Thread.interrupted() &&

runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&

!wt.isInterrupted())

wt.interrupt();

            try {

// 这是一个钩子方法，留给需要的子类实现

                beforeExecute(wt, task);

                Throwable thrown =null;

                try {

// 到这里终于可以执行任务了

                    task.run();

                }catch (RuntimeException x) {

thrown = x; throw x;

                }catch (Error x) {

thrown = x; throw x;

                }catch (Throwable x) {

// 这里不允许抛出 Throwable，所以转换为 Error

                    thrown = x; throw new Error(x);

                }finally {

// 也是一个钩子方法，将 task 和异常作为参数，留给需要的子类实现

                    afterExecute(task, thrown);

                }

}finally {

// 置空 task，准备 getTask 获取下一个任务

                task =null;

                // 累加完成的任务数

                w.completedTasks++;

                // 释放掉 worker 的独占锁

                w.unlock();

            }

}

completedAbruptly =false;

    }finally {

// 如果到这里，需要执行线程关闭：

// 1. 说明 getTask 返回 null，也就是说，这个 worker 的使命结束了，执行关闭

// 2. 任务执行过程中发生了异常

// 第一种情况，已经在代码处理了将 workCount 减 1，这个在 getTask 方法分析中会说

// 第二种情况，workCount 没有进行处理，所以需要在 processWorkerExit 中处理

// 限于篇幅，我不准备分析这个方法了，感兴趣的读者请自行分析源码

        processWorkerExit(w, completedAbruptly);

    }

}

六、获取任务

// 此方法有三种可能：

// 1. 阻塞直到获取到任务返回。我们知道，默认 corePoolSize 之内的线程是不会被回收的，

//      它们会一直等待任务

// 2. 超时退出。keepAliveTime 起作用的时候，也就是如果这么多时间内都没有任务，那么应该执行关闭

// 3. 如果发生了以下条件，此方法必须返回 null:

//    - 池中有大于 maximumPoolSize 个 workers 存在(通过调用 setMaximumPoolSize 进行设置)

//    - 线程池处于 SHUTDOWN，而且 workQueue 是空的，前面说了，这种不再接受新的任务

//    - 线程池处于 STOP，不仅不接受新的线程，连 workQueue 中的线程也不再执行

private RunnablegetTask() {

boolean timedOut =false; // Did the last poll() time out?

    retry:

for (;;) {

int c = ctl.get();

        int rs = runStateOf(c);

        // 两种可能

// 1. rs == SHUTDOWN && workQueue.isEmpty()

// 2. rs >= STOP

        if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {

// CAS 操作，减少工作线程数

            decrementWorkerCount();

return null;

        }

boolean timed;      // Are workers subject to culling?

        for (;;) {

int wc = workerCountOf(c);

            // 允许核心线程数内的线程回收，或当前线程数超过了核心线程数，那么有可能发生超时关闭

            timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;

            // 这里 break，是为了不往下执行后一个 if (compareAndDecrementWorkerCount(c))

// 两个 if 一起看：如果当前线程数 wc > maximumPoolSize，或者超时，都返回 null

// 那这里的问题来了，wc > maximumPoolSize 的情况，为什么要返回 null？

//    换句话说，返回 null 意味着关闭线程。

// 那是因为有可能开发者调用了 setMaximumPoolSize 将线程池的 maximumPoolSize 调小了

            if (wc <= maximumPoolSize && ! (timedOut && timed))

break;

            if (compareAndDecrementWorkerCount(c))

return null;

            c = ctl.get();  // Re-read ctl

// compareAndDecrementWorkerCount(c) 失败，线程池中的线程数发生了改变

            if (runStateOf(c) != rs)

continue retry;

            // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop

        }

// wc <= maximumPoolSize 同时没有超时

        try {

// 到 workQueue 中获取任务

            Runnable r = timed ?

workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :

workQueue.take();

            if (r !=null)

return r;

            timedOut =true;

        }catch (InterruptedException retry) {

// 如果此 worker 发生了中断，采取的方案是重试

// 解释下为什么会发生中断，这个读者要去看 setMaximumPoolSize 方法，

// 如果开发者将 maximumPoolSize 调小了，导致其小于当前的 workers 数量，

// 那么意味着超出的部分线程要被关闭。重新进入 for 循环，自然会有部分线程会返回 null

            timedOut =false;

        }

}

}

七、案例分析

ThreadPoolExecutor pool =new ThreadPoolExecutor(1,2,60, TimeUnit.SECONDS,new ArrayBlockingQueue<>(3));

MyTask task1 =new MyTask(1,"任务1");

MyTask task2 =new MyTask(2,"任务2");

MyTask task3 =new MyTask(3,"任务3");

MyTask task4 =new MyTask(4,"任务4");

MyTask task5 =new MyTask(5,"任务5");

pool.execute(task1);

pool.execute(task2);

pool.execute(task3);

pool.execute(task4);

pool.execute(task5);

八、总结

1. 线程池中的线程创建时机

如果当前线程数少于 corePoolSize，那么提交任务的时候创建一个新的线程，并由这个线程执行这个任务；

如果当前线程数已经达到 corePoolSize，那么将提交的任务添加到队列中，等待线程池中的线程去队列中取任务；

如果队列已满，那么创建新的线程来执行任务，需要保证池中的线程数不会超过 maximumPoolSize，如果此时线程数超过了 maximumPoolSize，那么执行拒绝策略。

2. 关键属性

corePoolSize 到 maximumPoolSize 之间的线程会被回收，当然 corePoolSize 的线程也可以通过设置而得到回收（allowCoreThreadTimeOut(true)）。

workQueue 用于存放任务，添加任务的时候，如果当前线程数超过了 corePoolSize，那么往该队列中插入任务，线程池中的线程会负责到队列中拉取任务。

keepAliveTime 用于设置空闲时间，如果线程数超出了 corePoolSize，并且有些线程的空闲时间超过了这个值，会执行关闭这些线程的操作

rejectedExecutionHandler 用于处理当线程池不能执行此任务时的情况，默认有抛出 RejectedExecutionException 异常、忽略任务、使用提交任务的线程来执行此任务和将队列中等待最久的任务删除，然后提交此任务这四种策略，默认为抛出异常。