编辑：业余草
来源：https://www.xttblog.com/?p=4978

世上无难事，只怕有心人！

今天我们来说说线程池！

线程池简介

使用线程池，一般会使用JDK提供的几种封装类型，即：newFixedThreadPool、newSingleThreadExecutor、newCachedThreadPool等，这些线程池的定义在Executors类中，来看看相关的源码：

public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,60L, TimeUnit.SECONDS,new SynchronousQueue<Runnable>(),threadFactory);
}
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {return new FinalizableDelegatedExecutorService(new ThreadPoolExecutor(1, 1,0L, TimeUnit.MILLISECONDS,new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,0L, TimeUnit.MILLISECONDS,new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

这些方法内部都使用了ThreadPoolExecutor的构造方法，区别只是传入的参数不同。ThreadPoolExecutor有四个重载的构造方法，最终调用的是由7个参数的构造器，其源码如下：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler) {//参数校验if (corePoolSize < 0 ||maximumPoolSize <= 0 ||maximumPoolSize < corePoolSize ||keepAliveTime < 0)throw new IllegalArgumentException();if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)throw new NullPointerException();this.corePoolSize = corePoolSize;this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;this.workQueue = workQueue;this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);this.threadFactory = threadFactory;this.handler = handler;
}

参数解释：

• corePoolSize:核心池大小，默认情况下，线程池启动之后，并不会立即创建线程，而是要等到任务到来之后，才创建线程去执行任务（除非设置了allowCoreThreadTimeOut参数，该参数会在线程池启动之后立马创建核心池数量的线程）。随着任务的不断增加，现有线程无法满足要求，就会不断的创建新线程，直到线程数达到corePoolSize的值，后续新来的任务会放入阻塞队列；

• maximumPoolSize: 最大池大小，当任务太多，阻塞队列满了之后，如果线程数量还没有超过该参数的值，就会继续创建新线程，直到线程数达到该参数规定的值，后续再来的任务会使用拒绝策略进行处理；

• keepAliveTime: 如果线程数超过corePoolSize的值，那么多余的线程在空闲keepAliveTime时间后会被销毁；

• unit: keepAliveTime参数的单位；

• workQueue: 阻塞队列；

• threadFactory: 线程工厂，创建线程时需要使用到该工厂；

• handler: 拒绝策略。

核心字段

ThreadPoolExecutor的核心字段如下：

//ctl低29位表示线程的数量，高3位表示线程池状态，因此当前线程池允许的最大线程数量是2^29-1
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
//固定值29
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
//线程最大容量
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// runState is stored in the high-order bits
//线程池的运行时状态，负数表示正在运行，正数表示终止情况
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;

线程池状态

线程池的状态有5种，状态之间的转换关系如下图：

初始情况下，线程池创建完毕后会处于RUNNING状态，可以正常的接受新任务；当调用shutdown()时，线程池变成SHUTDOWN状态，此时无法接受新任务，但是会继续执行阻塞队列中的任务；当调用shutdownNow()时，线程由RUNNING状态变成STOP状态，此时不能接受新任务，并且会中断正在执行的任务；当线程池中的线程数减少为0时，就会转成TIDYING状态；在TIDYING状态会自动调用terminated()使线程池转为TERMINATED状态。

shutdown()

shutdown()方法的逻辑分别由5个不同的方法来实现，这里将这些方法整理在一起，如下：

public void shutdown() {final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;mainLock.lock();try {//检查security manager是否允许调用方执行此方法checkShutdownAccess();//将线程池状态更新为SHUTDOWNadvanceRunState(SHUTDOWN);//中断空闲线程interruptIdleWorkers();//这是一个空实现，允许子类进行重写onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor} finally {mainLock.unlock();}tryTerminate();
}
private void advanceRunState(int targetState) {for (;;) {int c = ctl.get();//如果线程池已经处在targetState及之后的状态则直接结束循环，否则使用CAS操作将线程池状态更新为targetStateif (runStateAtLeast(c, targetState) ||ctl.compareAndSet(c, ctlOf(targetState, workerCountOf(c))))break;}
}
private void interruptIdleWorkers() {interruptIdleWorkers(false);
}
//onlyOne表示是否只终止一个空闲线程
private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;//加可重入锁mainLock.lock();try {for (Worker w : workers) {Thread t = w.thread;//如果线程没有被中断，则尝试获取锁，获取成功后将线程中断if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) {try {t.interrupt();} catch (SecurityException ignore) {} finally {//释放锁w.unlock();}}if (onlyOne)break;}} finally {mainLock.unlock();}
}
final void tryTerminate() {//自旋for (;;) {int c = ctl.get();//线程池还在运行，或者已经是TIDYING或TERMINATED状态，或者已经处在`SHUTDOWN`状态但阻塞队列不为空，这几种情况不再继续执行if (isRunning(c) ||runStateAtLeast(c, TIDYING) ||(runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty()))return;//线程数不为0时，终止一个空闲线程if (workerCountOf(c) != 0) { // Eligible to terminateinterruptIdleWorkers(ONLY_ONE);return;}final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;mainLock.lock();try {//将线程池设置为DIDYING状态if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {//设置成功后，执行terminated()方法try {//这也是一个空实现，子类可以根据需要进行重写terminated();} finally {//将线程池设置为TERMINATED状态ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));termination.signalAll();}return;}} finally {mainLock.unlock();}// else retry on failed CAS}
}

shutdownNow()

public List<Runnable> shutdownNow() {List<Runnable> tasks;final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;mainLock.lock();try {//检查security manager是否允许调用方执行此方法checkShutdownAccess();//将线程池状态更新为STOPadvanceRunState(STOP);//与shutdown的区别是，这里会中断所有线程，而不仅仅是空闲线程interruptWorkers();//将任务从workQueue中移除，转移到一个ArrayList中，此操作后，workQueue为空，已有的任务无法继承执行tasks = drainQueue();} finally {mainLock.unlock();}tryTerminate();return tasks;
}
//中断所有线程
private void interruptWorkers() {final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;mainLock.lock();try {for (Worker w : workers)w.interruptIfStarted();} finally {mainLock.unlock();}
}

执行任务

线程池通过execute()方法执行任务，其源码如下：

public void execute(Runnable command) {if (command == null)throw new NullPointerException();int c = ctl.get();//如果当前活跃线程小于核心池大小，就尝试创建新的线程if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {//如果成功创建新线程并且启动成功，直接返回if (addWorker(command, true))return;c = ctl.get();}//线程池处于运行状态，并且成功将任务加入阻塞队列时，会执行下面的代码if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {int recheck = ctl.get();//如果重复检查时，线程池已经不是运行状态，则将刚添加的任务从阻塞队列中移除，并执行拒绝策略if (! isRunning(recheck) && remove(command))reject(command);//如果活跃线程为0，则创建一个非核心线程，并将firstTask设置为nullelse if (workerCountOf(recheck) == 0)addWorker(null, false);}//如果添加非核心线程失败，则执行拒绝策略else if (!addWorker(command, false))reject(command);
}
//获取活跃的线程数
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
//获取线程池运行状态
private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }

下图是execute()方法的执行逻辑：

来看看addWorker()方法的实现：

//core表示要创建的是否是核心线程，true表示创建核心线程，false表示创建非核心线程
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {retry:for (;;) {int c = ctl.get();//获取线程池状态int rs = runStateOf(c);// Check if queue empty only if necessary.//rs >= SHUTDOWN，表示线程池不再处于RUNNING状态//rs>=SHUTDOWN，说明已经调用了shutdown()或者shutdownNow()方法，在此条件满足的情况下，第二项条件等同于//rs!=SHUTDOWN || firstTask != null || workQueue.isEmpty()，满足这三个条件的任何一个都不会再添加新任务//rs!=SHUTDOWN，说明是STOP、TIDYING、TERMINATE这三种if (rs >= SHUTDOWN &&! (rs == SHUTDOWN &&firstTask == null &&! workQueue.isEmpty()))return false;//执行到这里说明：//① rs<SHUTDOWN，即线程池是运行状态//② rs=SHUTDOWN，farstTask=null, 并且阻塞队列不为空for (;;) {int wc = workerCountOf(c);//有三种情况会返回false：1)线程数达到最大值；2)当前创建核心线程，但是线程数已经达到核心池大小；//3)当前创建非核心线程，并且线程数达到最大池大小if (wc >= CAPACITY ||wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))return false;//如果使用CAS操作成功将ctl的值加1，则跳出最外层循环if (compareAndIncrementWorkerCount(c))break retry;//走到这里说明无法使用CAS更新ctl的值，说明此时发生了多线程竞争，需要重新查看线程池的状态c = ctl.get();  // Re-read ctlif (runStateOf(c) != rs)continue retry;// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop}}boolean workerStarted = false;boolean workerAdded = false;Worker w = null;try {//创建新的Worker线程w = new Worker(firstTask);final Thread t = w.thread;if (t != null) {final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;//加重入锁mainLock.lock();try {// Recheck while holding lock.// Back out on ThreadFactory failure or if// shut down before lock acquired.int rs = runStateOf(ctl.get());if (rs < SHUTDOWN ||(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {//如果线程t的start()方法已经被执行过，则抛出异常if (t.isAlive()) // precheck that t is startablethrow new IllegalThreadStateException();//workers是个HashSet类型，只在重入锁代码中被访问workers.add(w);//更新当前活跃线程的最大值int s = workers.size();if (s > largestPoolSize)largestPoolSize = s;workerAdded = true;}} finally {mainLock.unlock();}if (workerAdded) {//线程创建成功，则启动线程，内部会调用Worker类的run()方法t.start();workerStarted = true;}}} finally {//成功创建新线程时，才会设置workerStarted=true，这里处理没有创建新线程的情况if (! workerStarted)addWorkerFailed(w);}return workerStarted;
}

addWorker() 方法中用到了 Worker 类，这是 ThreadPoolExecutor 的内部类，对线程进行了包装，线程池创建或者启动的线程，实际上都是 Worker 类型的实例，其源码如下（省略了无关代码）：

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable{/** Thread this worker is running in.  Null if factory fails. */final Thread thread;/** Initial task to run.  Possibly null. */Runnable firstTask;/** Per-thread task counter */volatile long completedTasks;//构造器Worker(Runnable firstTask) {setState(-1); this.firstTask = firstTask;//注意，这里是将Worker实例传入线程工厂进行构造，因此在调用线程的start()方法时，内部会调用Worker类的run()方法this.thread = getThreadFactory().newThread(this);}/** Delegates main run loop to outer runWorker  */public void run() {runWorker(this);}// ....
}

当启动Worker线程时，会通过Thread类的start()方法调用Worker类的runWorker()方法，每一个启动的线程都会在该方法的while循环中不断获取任务去执行，该方法源码如下：

final void runWorker(Worker w) {Thread wt = Thread.currentThread();Runnable task = w.firstTask;w.firstTask = null;w.unlock(); // allow interruptsboolean completedAbruptly = true;try {//如果能够成功拿到任务，则执行下面的代码块，如果getTask()方法返回null，当前线程就会执行退出逻辑while (task != null || (task = getTask()) != null) {//如果能将state字段设置为1，表示成功拿到锁，就接着向下执行，否则线程会加入等待队列，不再继续执行//注意这里是在成功拿到新任务之后才会加锁，结合shutdown()方法的逻辑w.lock();// If pool is stopping, ensure thread is interrupted;// if not, ensure thread is not interrupted.  This// requires a recheck in second case to deal with// shutdownNow race while clearing interrupt//如果线程池正在关闭，需要中断当前线程if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||(Thread.interrupted() &&runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&!wt.isInterrupted())wt.interrupt();try {//前置钩子beforeExecute(wt, task);Throwable thrown = null;try {//执行任务task.run();} catch (RuntimeException x) {thrown = x; throw x;} catch (Error x) {thrown = x; throw x;} catch (Throwable x) {thrown = x; throw new Error(x);} finally {//后置钩子afterExecute(task, thrown);}} finally {task = null;w.completedTasks++;//释放锁w.unlock();}}completedAbruptly = false;} finally {processWorkerExit(w, completedAbruptly);}
}

beforeExecute()和afterExecute()是protected类型，并且默认是空实现，很明显是留给子类去实现钩子逻辑。上面的代码使用getTask()从阻塞队列中取任务，其实现如下：

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.//线程池正在关闭，或者阻塞队列空了，就减少线程数，并返回nullif (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {decrementWorkerCount();return null;}int wc = workerCountOf(c);// Are workers subject to culling?//在设置了allowCoreThreadTimeOut参数后，超过给定的时间，会将空闲的核心线程清理掉//或者线程数量超过了核心池数量，会在一定时间后清理掉多余的线程boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;//1)线程数量超过最大池数量，或者超时; 2)线程数大于1，或者阻塞队列为空; 这两个条件都成立时，就将ctl值减1if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {if (compareAndDecrementWorkerCount(c))return null;continue;}try {//如果设置了超时状态，则使用poll方法取任务，超过keepAliveTime还没有任务到来就返回true//否则使用take取任务，在阻塞队列为空时会一直等待Runnable r = timed ?workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :workQueue.take();if (r != null)return r;timedOut = true;} catch (InterruptedException retry) {//线程有可能在等待新任务的到来而阻塞，但是在等待的过程中调用shutdownNow()关闭线程时，线程会抛出中断异常，在这里被捕获timedOut = false;}}
}

现在来整理一下runWorker()方法的思路：每一个新创建的线程都会在runWorker()方法里通过while循环不断地从阻塞队列中获取任务，取到任务之后就执行任务的run()方法，取不到任务就会一直阻塞，或者等待一定的时间之后，空闲线程超时需要回收，就会执行processWorkerExit()方法。

线程池是如何关闭的

在介绍shutdown()方法时有一个疑问，该方法只会中断空闲线程，但是非空闲的线程不会被中断，即使该线程被阻塞，因此该方法有可能无法关闭那些一直处在等待状态的非空闲线程，这一点在使用时需要注意。在runWorker()方法中，while循环会在成功拿到任务后才会加锁，因此那些由于阻塞队列为空拿不到任务而阻塞的线程也会被shutdown()方法中断

while (task != null || (task = getTask()) != null) {//如果能将state字段设置为1，表示成功拿到锁，就接着向下执行，否则线程会加入等待队列，不再继续执行//注意这里是在成功拿到新任务之后才会加锁，结合shutdown()方法的逻辑w.lock();//忽略其他代码
}

shutdownNow()会中断所有的存活线程，不论这些线程是否空闲，因此可能会导致任务在执行的过程中抛出异常，这点需要注意。

不论是调用哪个方法来关闭线程池，最终线程的退出是要根据getTask()方法来决定。当getTask()方法返回null，即当前阻塞队列已经没有任务时，线程会退出，并且在getTask()方法的自旋代码会首先检查线程池的状态，如下：

if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {decrementWorkerCount();return null;
}

在调用shutdownNow()方法关闭线程池后，rs >= STOP逻辑成立，直接返回null，而shutdown()方法会继续执行阻塞队列中的任务，直到workQueue.isEmpty()条件为真，getTask()返回null导致线程一个个结束，不论是哪种情况，最终线程池中的线程数量都会变成0。