分析ThreadPoolExecutor的执行原理，直接从execute方法开始
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
// 1、工作线程 < 核心线程
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 2、运行态，并尝试将任务加入队列
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);
} // 3、使用尝试使用最大线程运行
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
这三处if判断，还是比较泛的，整体大框框上的流程，可用下图表示。
线程任务处理流程.png
在execute方法中，用到了double-check的思想，我们看到上述代码中并没有同步控制，都是基于乐观的check，如果任务可以创建则进入addWorker(Runnable firstTask, boolean core)方法，注意上述代码中的三种传参方式：
- addWorker(command, true)： 创建核心线程执行任务；
- addWorker(command, false)：创建非核心线程执行任务；
- addWorker(null, false)： 创建非核心线程，当前任务为空；
addWorker的返回值是boolean，不保证操作成功。下面详看addWorker方法（代码稍微有点长）：
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
// 第一部分：自旋、CAS、重读ctl 等结合，直到确定是否可以创建worker，
// 可以则跳出循环继续操作，否则返回false
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)) // CAS增长workerCount，成功则跳出循环
break retry;
c = ctl.get(); // Re-read ctl 重新获取ctl
if (runStateOf(c) != rs) // 状态改变则继续外层循环，否则在内层循环
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
// 第二部分：创建worker，这部分使用ReentrantLock锁
boolean workerStarted = false; // 线程启动标志位
boolean workerAdded = false; // 线程是否加入workers 标志位
Worker w = null;
try {
w = new Worker(firstTask); //创建worker
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// 获取到锁以后仍需检查ctl，可能在上一个获取到锁处理的线程可能会改变runState
// 如 ThreadFactory 创建失败 或线程池被 shut down等
int rs = runStateOf(ctl.get());
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
if (t.isAlive())
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
if (workerAdded) {
t.start(); // 启动线程
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w); // 失败操作
}
return workerStarted;
}
addWorker的工作可分为两个部分：
- 第一部分：原子操作，判断是否可以创建worker。通过自旋、CAS、ctl 等操作，判断继续创建还是返回false，自旋周期一般很短。
- 第二部分：同步创建workder，并启动线程。
第一部分思路理清楚，就可以理解了。下面详解第二部分的Worker：
Worker类图
Worker是ThreadPoolExecutor的内部类，实现了 AbstractQueuedSynchronizer 并继承了 Runnable。
private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable
{
private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;
/** 每个worker有自己的内部线程，ThreadFactory创建失败时是null */
final Thread thread;
/** 初始化任务，可能是null */
Runnable firstTask;
/** 每个worker的完成任务数 */
volatile long completedTasks;
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // 禁止线程在启动前被打断
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
/** 重要的执行方法 */
public void run() {
runWorker(this);
}
// state = 0 代表未锁；state = 1 代表已锁
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(); }
// interrupt已启动线程
void interruptIfStarted() {
Thread t;
// 初始化是 state = -1，不会被interrupt
if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) {
try {
t.interrupt();
} catch (SecurityException ignore) {
}
}
}
}
Worker 实现了简单的 非重入互斥锁，互斥容易理解，非重入是为了避免线程池的一些控制方法获得重入锁，比如setCorePoolSize操作。注意 Worker 实现锁的目的与传统锁的意义不太一样。其主要是为了控制线程是否可interrupt，以及其他的监控，如线程是否 active（正在执行任务）。
线程池里线程是否处于运行状态与普通线程不一样，普通线程可以调用 Thread.currentThread().isAlive() 方法来判断，而线程池，在run方法中可能在等待获取新任务，这期间线程线程是 alive 但是却不是 active。
runWorker代码如下：
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // 允许被 interrupt
boolean completedAbruptly = true;
try {
// loop 直至 task = null （线程池关闭、超时等）
// 注意这里的getTask()方法，我们配置的阻塞队列会在这里起作用
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
w.lock(); // 执行任务前上锁
// 如果线程池停止，确保线程中断; 如果没有，确保线程不中断。这需要在第二种情况下进行重新获取ctl，以便在清除中断时处理shutdownNow竞争
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
beforeExecute(wt, task); // 扩展点
Throwable thrown = null;
try {
task.run(); // 真正执行run方法
} catch (RuntimeException x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Error x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Throwable x) {
thrown = x; throw new Error(x);
} finally {
afterExecute(task, thrown); // 扩展点
}
} finally {
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly); // 线程退出工作
}
}
runWorker的主要任务就是一直loop循环，来一个任务处理一个任务，没有任务就去getTask()，getTask()可能会阻塞，代码如下：
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // 上一次 poll() 是否超时
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 是否继续处理任务 可以参见上一篇的状态控制
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
int wc = workerCountOf(c);
// 是否允许超时
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()方法里面主要用我们配置的workQueue来工作，其阻塞原理与超时原理基于阻塞队列实现，这里不做详解。
总结，ThreadPoolExecutor的执行主要围绕Worker，Worker 实现了 AbstractQueuedSynchronizer 并继承了 Runnable，其对锁的妙运用，值得思考。
多线程系列目录（不断更新中）：
线程启动原理
线程中断机制
多线程实现方式
FutureTask实现原理
线程池之ThreadPoolExecutor概述
线程池之ThreadPoolExecutor使用
线程池之ThreadPoolExecutor状态控制
线程池之ThreadPoolExecutor执行原理
线程池之ScheduledThreadPoolExecutor概述
线程池之ScheduledThreadPoolExecutor调度原理
线程池的优雅关闭实践
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