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关于java:手写线程池对照学习ThreadPoolExecutor线程池实现原理

jiezi


作者：小傅哥
博客：https://bugstack.cn
Github：https://github.com/fuzhengwei/CodeGuide/wiki

积淀、分享、成长，让本人和别人都能有所播种！????

一、前言

人看手机，机器学习！

正好是 2020 年，看到这张图还是蛮有意思的。以前小时候总会看到一些科技电影，讲到机器人会怎么怎么，但没想到人仿佛被娱乐化的货色，搞成了抬头族、大肚子！

当意识到这一点时，其实十分思念小时候。放假的早上跑出去，喊上三五个搭档，要不下河摸摸鱼、弹弹玻璃球、打打 pia、跳跳房子！一天下来真的不会感觉累，但当初如果是放假的一天，你的娱乐安顿，很多时候会让头很累！

就像 ，你有试过学习一天英语头疼，还是刷一天抖音头疼吗？或者玩一天游戏与打一天球！ 如果你意识到了，那么争取放下一会手机，适当娱乐，锤炼放弃个好身材！

二、面试题

谢飞机，小记！，上次吃亏在线程上，这次可能一次坑掉两次了！

谢飞机：你问吧，我筹备好了！！！

面试官：嗯，线程池状态是如何设计存储的？

谢飞机：这！下一个，下一个！

面试官：Worker 的实现类，为什么不应用 ReentrantLock 来实现呢，而是本人继承 AQS？

谢飞机：我 …！

面试官：那你简述下，execute 的执行过程吧！

谢飞机：再见！

三、线程池解说

1. 先看个例子

ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(10));
threadPoolExecutor.execute(() -> {System.out.println("Hi 线程池！");
});
threadPoolExecutor.shutdown();

// Executors.newFixedThreadPool(10);
// Executors.newCachedThreadPool();
// Executors.newScheduledThreadPool(10);
// Executors.newSingleThreadExecutor();

这是一段用于创立线程池的例子，置信你曾经用了很屡次了。

线程池的外围目标就是资源的利用，防止反复创立线程带来的资源耗费。因而引入一个池化技术的思维，防止反复创立、销毁带来的性能开销。

那么 ，接下来咱们就通过实际的形式剖析下这个 池子 的结构，看看它是如何解决 线程 的。

2. 手写一个线程池

2.1 实现流程

为了更好的了解和剖析对于线程池的源码，咱们先来依照线程池的思维，手写一个非常简单的线程池。

其实很多时候一段性能代码的外围主逻辑可能并没有多简单，但为了让外围流程顺利运行，就须要额定增加很多分支的辅助流程。就像我常说的，为了爱护手才把擦屁屁纸弄那么大！

对于图 21-1，这个手写线程池的实现也非常简单，只会体现出外围流程，包含：

  1. 有 n 个始终在运行的线程，相当于咱们创立线程池时容许的线程池大小。
  2. 把线程提交给线程池运行。
  3. 如果运行线程池已满，则把线程放入队列中。
  4. 最初当有闲暇时，则获取队列中线程进行运行。

2.2 实现代码

public class ThreadPoolTrader implements Executor {private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(0);

    private volatile int corePoolSize;
    private volatile int maximumPoolSize;

    private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;

    public ThreadPoolTrader(int corePoolSize, int maximumPoolSize, BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
    }

    @Override
    public void execute(Runnable command) {int c = ctl.get();
        if (c < corePoolSize) {if (!addWorker(command)) {reject();
            }
            return;
        }
        if (!workQueue.offer(command)) {if (!addWorker(command)) {reject();
            }
        }
    }

    private boolean addWorker(Runnable firstTask) {if (ctl.get() >= maximumPoolSize) return false;

        Worker worker = new Worker(firstTask);
        worker.thread.start();
        ctl.incrementAndGet();
        return true;
    }

    private final class Worker implements Runnable {

        final Thread thread;
        Runnable firstTask;

        public Worker(Runnable firstTask) {this.thread = new Thread(this);
            this.firstTask = firstTask;
        }

        @Override
        public void run() {
            Runnable task = firstTask;
            try {while (task != null || (task = getTask()) != null) {task.run();
                    if (ctl.get() > maximumPoolSize) {break;}
                    task = null;
                }
            } finally {ctl.decrementAndGet();
            }
        }

        private Runnable getTask() {for (; ;) {
                try {System.out.println("workQueue.size：" + workQueue.size());
                    return workQueue.take();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    private void reject() {throw new RuntimeException("Error！ctl.count：" + ctl.get() + "workQueue.size：" + workQueue.size());
    }

    public static void main(String[] args) {ThreadPoolTrader threadPoolTrader = new ThreadPoolTrader(2, 2, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10));

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            threadPoolTrader.execute(() -> {
                try {Thread.sleep(1500);
                } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("工作编号：" + finalI);
            });
        }
    }

}

// 测试后果

工作编号：1
工作编号：0
workQueue.size：8
workQueue.size：8
工作编号：3
workQueue.size：6
工作编号：2
workQueue.size：5
工作编号：5
workQueue.size：4
工作编号：4
workQueue.size：3
工作编号：7
workQueue.size：2
工作编号：6
workQueue.size：1
工作编号：8
工作编号：9
workQueue.size：0
workQueue.size：0

以上，对于线程池的实现还是非常简单的，从测试后果上曾经能够把最外围的池化思维体现进去了。次要性能逻辑包含：

  • ctl，用于记录线程池中线程数量。
  • corePoolSize、maximumPoolSize，用于限度线程池容量。
  • workQueue，线程池队列，也就是那些还不能被及时运行的线程，会被装入到这个队列中。
  • execute，用于提交线程，这个是通用的接口办法。在这个办法里次要实现的就是，以后提交的线程是退出到 worker、队列还是放弃。
  • addWorker，次要是类 Worker 的具体操作，创立并执行线程。这里还包含了 getTask() 办法，也就是从队列中一直的获取未被执行的线程。

好 ，那么以上呢，就是这个简略线程池实现的具体体现。但如果三思而行就会发现这里须要很多欠缺，比方： 线程池状态呢，不可能始终奔跑呀！？、线程池的锁呢，不会有并发问题吗？、线程池回绝后的策略呢？，这些问题都没有在主流程解决，也正因为没有这些流程，所以下面的代码才更容易了解。

接下来，咱们就开始剖析线程池的源码，与咱们实现的简略线程池参考比照，会更加容易了解????！

3. 线程池源码剖析

3.1 线程池类关系图

以围绕外围类 ThreadPoolExecutor 的实现开展的类之间实现和继承关系，如图 21-2 线程池类关系图。

  • 接口 Executor、ExecutorService，定义线程池的根本办法。尤其是 execute(Runnable command) 提交线程池办法。
  • 抽象类 AbstractExecutorService，实现了根本通用的接口办法。
  • ThreadPoolExecutor，是整个线程池最外围的工具类办法，所有的其余类和接口，为围绕这个类来提供各自的性能。
  • Worker，是工作类，也就是最终执行的线程的办法。
  • RejectedExecutionHandler，是回绝策略接口，有四个实现类；AbortPolicy(抛异样形式回绝)、DiscardPolicy(间接抛弃)、DiscardOldestPolicy(抛弃存活工夫最长的工作)、CallerRunsPolicy(谁提交谁执行)。
  • Executors，是用于创立咱们罕用的不同策略的线程池，newFixedThreadPool、newCachedThreadPool、newScheduledThreadPool、newSingleThreadExecutor。

3.2 高 3 位与低 29 位

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;

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;

在 ThreadPoolExecutor 线程池实现类中，应用 AtomicInteger 类型的 ctl 记录线程池状态和线程池数量。在一个类型上记录多个值，它采纳的宰割数据区域，高 3 位 记录状态，低 29 位 存储线程数量，默认 RUNNING 状态，线程数为 0 个。

3.2 线程池状态

图 22-4 是线程池中的状态流转关系，包含如下状态：

  • RUNNING：运行状态，承受新的工作并且解决队列中的工作。
  • SHUTDOWN：敞开状态(调用了 shutdown 办法)。不承受新工作，, 然而要解决队列中的工作。
  • STOP：进行状态(调用了 shutdownNow 办法)。不承受新工作，也不解决队列中的工作，并且要中断正在解决的工作。
  • TIDYING：所有的工作都已终止了，workerCount 为 0，线程池进入该状态后会调 terminated() 办法进入 TERMINATED 状态。
  • TERMINATED：终止状态，terminated() 办法调用完结后的状态。

3.3 提交线程(execute)

public void execute(Runnable command) {if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    int c = ctl.get();
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();}
    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);
    }
    else if (!addWorker(command, false))
        reject(command);
}

在浏览这部分源码的时候，能够参考咱们本人实现的线程池。其实最终的目标都是一样的，就是这段被提交的线程，启动执行 、 退出队列 、 决策策略，这三种形式。

  • ctl.get()，取的是记录线程状态和线程个数的值，最终须要应用办法 workerCountOf()，来获取以后线程数量。`workerCountOf 执行的是 c & CAPACITY 运算
  • 依据以后线程池中线程数量，与外围线程数 corePoolSize 做比照，小于则进行增加线程到工作执行队列。
  • 如果说此时线程数已满，那么则须要判断线程池是否为运行状态 isRunning(c)。如果是运行状态则把不能被执行的线程放入线程队列中。
  • 放入线程队列当前，还须要从新判断线程是否运行以及移除操作，如果非运行且移除，则进行回绝策略。否则判断线程数量为 0 后增加新线程。
  • 最初就是再次尝试增加工作执行，此时办法 addWorker 的第二个入参是 false，最终会影响增加执行工作数量判断。如果增加失败则进行回绝策略。

3.5 增加执行工作(addWorker)

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core)

第一局部、减少线程数量

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))
            break retry;
        c = ctl.get();  // Re-read ctl
        if (runStateOf(c) != rs)
            continue retry;
        // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
    }
}

第一局部、创立启动线程

boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {w = new Worker(firstTask);
    final Thread t = w.thread;
    if (t != null) {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {int rs = runStateOf(ctl.get());
            if (rs < SHUTDOWN ||
                (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                    throw new IllegalThreadStateException();
                workers.add(w);
                int s = workers.size();
                if (s > largestPoolSize)
                    largestPoolSize = s;
                workerAdded = true;
            }
        } finally {mainLock.unlock();
        }
        if (workerAdded) {t.start();
            workerStarted = true;
        }
    }
} finally {if (! workerStarted)
        addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;

增加执行工作的流程能够分为两块看，下面代码局部是用于记录线程数量、上面代码局部是在独占锁里创立执行线程并启动。这部分代码在不看锁、CAS 等操作，那么就和咱们最开始手写的线程池根本一样了

  • if (rs >= SHUTDOWN &&! (rs == SHUTDOWN &&firstTask == null &&! workQueue.isEmpty()))，判断以后线程池状态，是否为 SHUTDOWN、STOP、TIDYING、TERMINATED中的一个。并且以后状态为 SHUTDOWN、且传入的工作为 null，同时队列不为空。那么就返回 false。
  • compareAndIncrementWorkerCount，CAS 操作，减少线程数量，胜利就会跳出标记的循环体。
  • runStateOf(c) != rs，最初是线程池状态判断，决定是否循环。
  • 在线程池数量记录胜利后，则须要进入加锁环节，创立执行线程，并记录状态。在最初如果判断没有启动胜利，则须要执行 addWorkerFailed 办法，剔除到线程办法等操作。

3.6 执行线程(runWorker)

final void runWorker(Worker w) {Thread wt = Thread.currentThread();
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    w.unlock(); // 容许中断
    boolean completedAbruptly = true;
    try {while (task != null || (task = getTask()) != null) 
            w.lock();
            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                 (Thread.interrupted() &&
                  runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                !wt.isInterrupted())
                wt.interrupt();
            try {beforeExecute(wt, task);
                Throwable thrown = null;
                try {task.run();
                } finally {afterExecute(task, thrown);
                }
            } finally {
                task = null;
                w.completedTasks++;
                w.unlock();}
        }
        completedAbruptly = false;
    } finally {processWorkerExit(w, completedAbruptly);
    }
}

其实，有了手写线程池的根底，到这也就根本理解了，线程池在干嘛。到这最外围的点就是 task.run() 让线程跑起来。额定再附带一些其余流程如下；

  • beforeExecute、afterExecute，线程执行的前后做一些统计信息。
  • 另外这里的锁操作是 Worker 继承 AQS 本人实现的不可重入的独占锁。
  • processWorkerExit，如果你感兴趣，相似这样的办法也能够深刻理解下。在线程退出时候 workers 做到一些移除解决以及实现工作数等，也十分有意思

3.7 队列获取工作(getTask)

如果你曾经开始浏览源码，能够在 runWorker 办法中，看到这样一句循环代码 while (task != null || (task = getTask()) != null)。这与咱们手写线程池中操作的形式是一样的，外围目标就是从队列中获取线程办法。

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.
        if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {decrementWorkerCount();
            return null;
        }
        int wc = workerCountOf(c);
        // Are workers subject to culling?
        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 办法从阻塞队列中获取期待被执行的工作，也就是一条条往出拿线程办法。
  • if (rs >= SHUTDOWN ...，判断线程是否敞开。
  • wc = workerCountOf(c)，wc > corePoolSize，如果工作线程数超过外围线程数量 corePoolSize 并且 workQueue 不为空，则减少工作线程。但如果超时未获取到线程，则会把大于 corePoolSize 的线程销毁掉。
  • timed，是 allowCoreThreadTimeOut 得来的。最终 timed 为 true 时，则通过阻塞队列的 poll 办法进行超时管制。
  • 如果在 keepAliveTime 工夫内没有获取到工作，则返回 null。如果为 false，则阻塞。

四、总结

  • 这一章节并没有齐全把线程池的所有知识点都介绍完，否则一篇内容会有些臃肿。在这一章节咱们从手写线程池开始，逐渐的剖析这些代码在 Java 的线程池中是如何实现的，波及到的知识点也简直是咱们以前介绍过的内容，包含：队列、CAS、AQS、重入锁、独占锁等内容。所以这些常识也根本是环环相扣的，最好有一些根基否则会有些不好了解。
  • 除了本章介绍的，咱们还没有讲到线程的销毁过程、四种线程池办法的抉择和应用、以及在 CPU 密集型工作、IO 密集型工作 时该怎么配置。另外在 Spring 中也有本人实现的线程池办法。这些知识点都十分贴近实际操作。
  • 好了，明天的内容先扯到这，后续的内容陆续欠缺。如果以上内容有错字、流程缺失、或者不好了解以及形容谬误，欢送留言。互相学习、相互提高。

五、系列举荐

  • Thread.start()，它是怎么让线程启动的呢？-%E5%AE%83%E6%98%AF%E6%80%8E%E4%B9%88%E8%AE%A9%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E5%90%AF%E5%8A%A8%E7%9A%84%E5%91%A2.html)
  • Thread 线程，状态转换、办法应用、原理剖析
  • ReentrantLock 之 AQS 原理剖析和实际应用
  • 什么是双端队列、提早对列、阻塞队列，全是常识盲区！
  • 90% 的程序员，都没用过多线程和锁，怎么成为架构师？
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