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