关于高并发:高并发通过源码深度解析ThreadPoolExecutor类是如何保证线程池正确运行的

大家好，我是冰河~~

对于线程池的外围类ThreadPoolExecutor来说，有哪些重要的属性和外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，存在几个十分重要的属性和办法，接下来，咱们就介绍下这些重要的属性和办法。

ctl相干的属性

AtomicInteger类型的常量ctl是贯通线程池整个生命周期的重要属性，它是一个原子类对象，次要用来保留线程的数量和线程池的状态，咱们看下与这个属性相干的代码如下所示。

//次要用来保留线程数量和线程池的状态，高3位保留线程状态，低29位保留线程数量
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;
//示意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阐明如下所示。

RUNNING:运行状态，能接管新提交的工作，并且也能解决阻塞队列中的工作
SHUTDOWN: 敞开状态，不能再接管新提交的工作，然而能够解决阻塞队列中曾经保留的工作，当线程池处于RUNNING状态时，调用shutdown()办法会使线程池进入该状态
STOP: 不能接管新工作，也不能解决阻塞队列中曾经保留的工作，会中断正在解决工作的线程，如果线程池处于RUNNING或SHUTDOWN状态，调用shutdownNow()办法，会使线程池进入该状态
TIDYING: 如果所有的工作都曾经终止，无效线程数为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 ()办法，会应用线程池进入该状态

也能够依照ThreadPoolExecutor类的正文，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()办法, 或者隐式调用了finalize()办法
(RUNNING or SHUTDOWN) -> STOP：显式调用shutdownNow()办法
SHUTDOWN -> TIDYING：当线程池和工作队列都为空的时候
STOP -> TIDYING：当线程池为空的时候
TIDYING -> TERMINATED：当 terminated() hook 办法执行实现时候

其余重要属性

除了ctl相干的属性外，ThreadPoolExecutor类中其余一些重要的属性如下所示。

//用于寄存工作的阻塞队列  
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
//可重入锁
private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();
//寄存线程池中线程的汇合，拜访这个汇合时，必须取得mainLock锁
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
//在锁外部阻塞期待条件实现
private final Condition termination = mainLock.newCondition();
//线程工厂，以此来创立新线程
private volatile ThreadFactory threadFactory;
//回绝策略
private volatile RejectedExecutionHandler handler;
//默认的回绝策略
private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy();

ThreadPoolExecutor类中的重要外部类

在ThreadPoolExecutor类中存在对于线程池的执行至关重要的外部类，Worker外部类和回绝策略外部类。接下来，咱们别离看这些外部类。

Worker外部类

Worker类从源代码上来看，实现了Runnable接口，阐明其本质上是一个用来执行工作的线程，接下来，咱们看下Worker类的源代码，如下所示。

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable{
    private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;
    //真正执行工作的线程
    final Thread thread;
    //第一个Runnable工作，如果在创立线程时指定了须要执行的第一个工作
    //则第一个工作会寄存在此变量中，此变量也能够为null
    //如果为null，则线程启动后，通过getTask办法到BlockingQueue队列中获取工作
    Runnable firstTask;
    //用于寄存此线程齐全的工作数，留神：应用了volatile关键字
    volatile long completedTasks;
    
    //Worker类惟一的结构放大，传递的firstTask能够为null
    Worker(Runnable firstTask) {
        //避免在调用runWorker之前被中断
        setState(-1);
        this.firstTask = firstTask;
        //应用ThreadFactory 来创立一个新的执行工作的线程
        this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
    }
    //调用内部ThreadPoolExecutor类的runWorker办法执行工作
    public void run() {
        runWorker(this);
    }

    //是否获取到锁 
    //state=0示意锁未被获取
    //state=1示意锁被获取
    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，能够看出，首先将同步状态state设置为-1，设置为-1是为了避免runWorker办法运行之前被中断。这是因为如果其余线程调用线程池的shutdownNow()办法时，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，须要重写run办法，而Worker的run办法实质上调用的是ThreadPoolExecutor类的runWorker办法，在runWorker办法中，会首先调用unlock办法，该办法会将state置为0，所以这个时候调用shutDownNow办法就会中断以后线程，而这个时候曾经进入了runWork办法，就不会在还没有执行runWorker办法的时候就中断线程。

留神：大家须要重点了解Worker类的实现。

回绝策略外部类

在线程池中，如果workQueue阻塞队列满了，并且没有闲暇的线程池，此时，持续提交工作，须要采取一种策略来解决这个工作。而线程池总共提供了四种策略，如下所示。

间接抛出异样，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工作。实现类为CallerRunsPolicy。
抛弃队列中最靠前的工作并执行当前任务。实现类为DiscardOldestPolicy。
间接抛弃当前任务。实现类为DiscardPolicy。

在ThreadPoolExecutor类中提供了4个外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);
        }
    }
}

咱们也能够通过实现RejectedExecutionHandler接口，并重写RejectedExecutionHandler接口的rejectedExecution办法来自定义回绝策略，在创立线程池时，调用ThreadPoolExecutor的构造方法，传入咱们本人写的回绝策略。

例如，自定义的回绝策略如下所示。

public class CustomPolicy implements RejectedExecutionHandler {

    public CustomPolicy() { }

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

应用自定义回绝策略创立线程池。

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

明天就到这儿吧，我是冰河，咱们下期见~~

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ThreadPoolExecutor类中的重要属性

ctl相干的属性

其余重要属性

ThreadPoolExecutor类中的重要外部类

Worker外部类

回绝策略外部类

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