关于多线程:深入分析3种线程池执行任务的逻辑方法

摘要：联合ThreadPoolExecutor类的源码深度剖析线程池执行工作的整体流程。

本文分享自华为云社区《【高并发】通过ThreadPoolExecutor类的源码深度解析线程池执行工作的外围流程》，作者： 冰 河。

ThreadPoolExecutor类中存在一个workers工作线程汇合，用户能够向线程池中增加须要执行的工作，workers汇合中的工作线程能够间接执行工作，或者从工作队列中获取工作后执行。ThreadPoolExecutor类中提供了整个线程池从创立到执行工作，再到沦亡的整个流程办法。本文，就联合ThreadPoolExecutor类的源码深度剖析线程池执行工作的整体流程。

在ThreadPoolExecutor类中，线程池的逻辑次要体现在execute(Runnable)办法，addWorker(Runnable, boolean)办法，addWorkerFailed(Worker)办法和回绝策略上，接下来，咱们就深入分析这几个外围办法。

execute(Runnable)办法

execute(Runnable)办法的作用是提交Runnable类型的工作到线程池中。咱们先看下execute(Runnable)办法的源码，如下所示。

public void execute(Runnable command) {
    //如果提交的工作为空，则抛出空指针异样
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    //获取线程池的状态和线程池中线程的数量
    int c = ctl.get();
    //线程池中的线程数量小于corePoolSize的值
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        //从新开启线程执行工作
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
    //如果线程池处于RUNNING状态，则将工作增加到阻塞队列中
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        //再次获取线程池的状态和线程池中线程的数量，用于二次查看
        int recheck = ctl.get();
        //如果线程池没有未处于RUNNING状态，从队列中删除工作
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            //执行回绝策略
            reject(command);
        //如果线程池为空，则向线程池中增加一个线程
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    //工作队列已满，则新增worker线程，如果新增线程失败，则执行回绝策略
    else if (!addWorker(command, false))
        reject(command);
}

整个工作的执行流程，咱们能够简化成下图所示。

接下来，咱们拆解execute(Runnable)办法，具体分析execute(Runnable)办法的执行逻辑。

（1）线程池中的线程数是否小于corePoolSize外围线程数，如果小于corePoolSize外围线程数，则向workers工作线程汇合中增加一个外围线程执行工作。代码如下所示。

//线程池中的线程数量小于corePoolSize的值
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
    //从新开启线程执行工作
    if (addWorker(command, true))
        return;
    c = ctl.get();
}

（2）如果线程池中的线程数量大于corePoolSize外围线程数，则判断以后线程池是否处于RUNNING状态，如果处于RUNNING状态，则增加工作到待执行的工作队列中。留神：这里向工作队列增加工作时，须要判断线程池是否处于RUNNING状态，只有线程池处于RUNNING状态时，能力向工作队列增加新工作。否则，会执行回绝策略。代码如下所示。

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

（3）向工作队列中增加工作胜利，因为其余线程可能会批改线程池的状态，所以这里须要对线程池进行二次查看，如果以后线程池的状态不再是RUNNING状态，则须要将增加的工作从工作队列中移除，执行后续的回绝策略。如果以后线程池依然处于RUNNING状态，则判断线程池是否为空，如果线程池中不存在任何线程，则新建一个线程增加到线程池中，如下所示。

//再次获取线程池的状态和线程池中线程的数量，用于二次查看
int recheck = ctl.get();
//如果线程池没有未处于RUNNING状态，从队列中删除工作
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
    //执行回绝策略
    reject(command);
//如果线程池为空，则向线程池中增加一个线程
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
    addWorker(null, false);

（4）如果在步骤（3）中向工作队列中增加工作失败，则尝试开启新的线程执行工作。此时，如果线程池中的线程数量曾经大于线程池中的最大线程数maximumPoolSize，则不能再启动新线程。此时，示意线程池中的工作队列已满，并且线程池中的线程已满，须要执行回绝策略，代码如下所示。

//工作队列已满，则新增worker线程，如果新增线程失败，则执行回绝策略
else if (!addWorker(command, false))
    reject(command);

这里，咱们将execute(Runnable)办法拆解，联合流程图来了解线程池中工作的执行流程就比较简单了。能够这么说，execute(Runnable)办法的逻辑基本上就是个别线程池的执行逻辑，了解了execute(Runnable)办法，就根本了解了线程池的执行逻辑。

留神：无关ScheduledThreadPoolExecutor类和ForkJoinPool类执行线程池的逻辑，在【高并发专题】系列文章中的后文中会具体阐明，了解了这些类的执行逻辑，就根本全面把握了线程池的执行流程。

在剖析execute(Runnable)办法的源码时，咱们发现execute(Runnable)办法中多处调用了addWorker(Runnable, boolean)办法，接下来，咱们就一起剖析下addWorker(Runnable, boolean)办法的逻辑。

addWorker(Runnable, boolean)办法

总体上，addWorker(Runnable, boolean)办法能够分为三局部，第一局部是应用CAS平安的向线程池中增加工作线程；第二局部是创立新的工作线程；第三局部则是将工作通过平安的并发形式增加到workers中，并启动工作线程执行工作。

接下来，咱们看下addWorker(Runnable, boolean)办法的源码，如下所示。

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
    //标记重试的标识
    retry:
    for (;;) {
        int c = ctl.get();
        int rs = runStateOf(c);

        // 查看队列是否在某些特定的条件下为空
        if (rs >= SHUTDOWN &&
            ! (rs == SHUTDOWN &&
               firstTask == null &&
               ! workQueue.isEmpty()))
            return false;
        //上面循环的次要作用为通过CAS形式减少线程的个数
        for (;;) {
            //获取线程池中的线程数量
            int wc = workerCountOf(c);
            //如果线程池中的线程数量超出限度，间接返回false
            if (wc >= CAPACITY ||
                wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                return false;
            //通过CAS形式向线程池新增线程数量
            if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                //通过CAS形式保障只有一个线程执行胜利，跳出最外层循环
                break retry;
            //从新获取ctl的值
            c = ctl.get();  
            //如果CAS操作失败了，则须要在内循环中从新尝试通过CAS新增线程数量
            if (runStateOf(c) != rs)
                continue retry;
        }
    }
 
    //跳出最外层for循环，阐明通过CAS新增线程数量胜利
    //此时创立新的工作线程
    boolean workerStarted = false;
    boolean workerAdded = false;
    Worker w = null;
    try {
        //将执行的工作封装成worker
        w = new Worker(firstTask);
        final Thread t = w.thread;
        if (t != null) {
            //独占锁，保障操作workers时的同步
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
                //此处须要从新查看线程池状态
                //起因是在取得锁之前可能其余的线程扭转了线程池的状态
                int rs = runStateOf(ctl.get());
 
                if (rs < SHUTDOWN ||
                    (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                    if (t.isAlive())
                        throw new IllegalThreadStateException();
                    //向worker中增加新工作
                    workers.add(w);
                    int s = workers.size();
                    if (s > largestPoolSize)
                        largestPoolSize = s;
                    //将是否增加了新工作的标识设置为true
                    workerAdded = true;
                }
            } finally {
                //开释独占锁
                mainLock.unlock();
            }
            //增加新任胜利，则启动线程执行工作
            if (workerAdded) {
                t.start();
                //将工作是否曾经启动的标识设置为true
                workerStarted = true;
            }
        }
    } finally {
        //如果工作未启动或启动失败，则调用addWorkerFailed(Worker)办法
        if (! workerStarted)
            addWorkerFailed(w);
    }
    //返回是否启动工作的标识
    return workerStarted;
}

乍一看，addWorker(Runnable, boolean)办法还蛮长的，这里，咱们还是将addWorker(Runnable, boolean)办法进行拆解。

（1）查看工作队列是否在某些特定的条件下为空，代码如下所示。

// 查看队列是否在某些特定的条件下为空
if (rs >= SHUTDOWN &&
    ! (rs == SHUTDOWN &&
       firstTask == null &&
       ! workQueue.isEmpty()))
    return false;

（2）在通过步骤（1）的校验后，则进入内层for循环，在内层for循环中通过CAS来减少线程池中的线程数量，如果CAS操作胜利，则间接退出双重for循环。如果CAS操作失败，则查看以后线程池的状态是否产生了变动，如果线程池的状态产生了变动，则通过continue关键字从新通过外层for循环校验工作队列，测验通过再次执行内层for循环的CAS操作。如果线程池的状态没有发生变化，此时上一次CAS操作失败了，则持续尝试CAS操作。代码如下所示。

for (;;) {
    //获取线程池中的线程数量
    int wc = workerCountOf(c);
    //如果线程池中的线程数量超出限度，间接返回false
    if (wc >= CAPACITY ||
        wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
        return false;
    //通过CAS形式向线程池新增线程数量
    if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
        //通过CAS形式保障只有一个线程执行胜利，跳出最外层循环
        break retry;
    //从新获取ctl的值
    c = ctl.get();  
    //如果CAS操作失败了，则须要在内循环中从新尝试通过CAS新增线程数量
    if (runStateOf(c) != rs)
        continue retry;
}

（3）CAS操作胜利后，示意向线程池中胜利增加了工作线程，此时，还没有线程去执行工作。应用全局的独占锁mainLock来将新增的工作线程Worker对象平安的增加到workers中。

总体逻辑就是：创立新的Worker对象，并获取Worker对象中的执行线程，如果线程不为空，则获取独占锁，获取锁胜利后，再次查看线线程的状态，这是防止在获取独占锁之前其余线程批改了线程池的状态，或者敞开了线程池。如果线程池敞开，则须要开释锁。否则将新减少的线程增加到工作汇合中，开释锁并启动线程执行工作。将是否启动线程的标识设置为true。最初，判断线程是否启动，如果没有启动，则调用addWorkerFailed(Worker)办法。最终返回线程是否起送的标识。

//跳出最外层for循环，阐明通过CAS新增线程数量胜利
//此时创立新的工作线程
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
    //将执行的工作封装成worker
    w = new Worker(firstTask);
    final Thread t = w.thread;
    if (t != null) {
        //独占锁，保障操作workers时的同步
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            //此处须要从新查看线程池状态
            //起因是在取得锁之前可能其余的线程扭转了线程池的状态
            int rs = runStateOf(ctl.get());
 
            if (rs < SHUTDOWN ||
                (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                if (t.isAlive())
                    throw new IllegalThreadStateException();
                //向worker中增加新工作
                workers.add(w);
                int s = workers.size();
                if (s > largestPoolSize)
                    largestPoolSize = s;
                //将是否增加了新工作的标识设置为true
                workerAdded = true;
            }
        } finally {
            //开释独占锁
            mainLock.unlock();
        }
        //增加新任胜利，则启动线程执行工作
        if (workerAdded) {
            t.start();
            //将工作是否曾经启动的标识设置为true
            workerStarted = true;
        }
    }
} finally {
    //如果工作未启动或启动失败，则调用addWorkerFailed(Worker)办法
    if (! workerStarted)
        addWorkerFailed(w);
}
//返回是否启动工作的标识
return workerStarted;

addWorkerFailed(Worker)办法

在addWorker(Runnable, boolean)办法中，如果增加工作线程失败或者工作线程启动失败时，则会调用addWorkerFailed(Worker)办法，上面咱们就来看看addWorkerFailed(Worker)办法的实现，如下所示。

private void addWorkerFailed(Worker w) {
    //获取独占锁
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        //如果Worker工作不为空
        if (w != null)
            //将工作从workers汇合中移除
            workers.remove(w);
        //通过CAS将工作数量减1
        decrementWorkerCount();
        tryTerminate();
    } finally {
        //开释锁
        mainLock.unlock();
    }
}

addWorkerFailed(Worker)办法的逻辑就比较简单了，获取独占锁，将工作从workers中移除，并且通过CAS将工作的数量减1，最初开释锁。

回绝策略

咱们在剖析execute(Runnable)办法时，线程池会在适当的时候调用reject(Runnable)办法来执行相应的回绝策略，咱们看下reject(Runnable)办法的实现，如下所示。

final void reject(Runnable command) {
    handler.rejectedExecution(command, this);
}

通过代码，咱们发现调用的是handler的rejectedExecution办法，handler又是个什么鬼，咱们持续跟进代码，如下所示。

private volatile RejectedExecutionHandler handler;

再看看RejectedExecutionHandler是个啥类型，如下所示。

package java.util.concurrent;

public interface RejectedExecutionHandler {

    void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
}

能够发现RejectedExecutionHandler是个接口，定义了一个rejectedExecution(Runnable, ThreadPoolExecutor)办法。既然RejectedExecutionHandler是个接口，那咱们就看看有哪些类实现了RejectedExecutionHandler接口。

看到这里，咱们发现RejectedExecutionHandler接口的实现类正是线程池默认提供的四种回绝策略的实现类。

至于reject(Runnable)办法中具体会执行哪个类的回绝策略，是依据创立线程池时传递的参数决定的。如果没有传递回绝策略，则默认会执行AbortPolicy类的回绝策略。否则会执行传递的类的回绝策略。

在创立线程池时，除了可能传递JDK默认提供的回绝策略外，还能够传递自定义的回绝策略。如果想应用自定义的回绝策略，则只须要实现RejectedExecutionHandler接口，并重写rejectedExecution(Runnable, ThreadPoolExecutor)办法即可。例如，上面的代码。

public class CustomPolicy implements RejectedExecutionHandler {

    public CustomPolicy() { }

    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
        if (!e.isShutdown()) {
            System.out.println("应用调用者所在的线程来执行工作")
            r.run();
        }
    }
}

应用如下形式创立线程池。

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

至此，线程池执行工作的整体外围逻辑剖析完结。

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