Java线程池实现原理详解

2023-12-08 09:46| 来源: 网络整理| 查看: 265

文章目录原理概述线程池的几个主要参数的作用任务提交后的流程分析源码解析1. 提交任务相关源码2. Worker的结构3. 添加Callable任务的实现源码4. shutdown和shutdownNow方法的实现总结

原理概述

在这里插入图片描述

其实java线程池的实现原理很简单，说白了就是一个线程集合workerSet和一个阻塞队列workQueue。当用户向线程池提交一个任务(也就是线程)时，线程池会先将任务放入workQueue中。workerSet中的线程会不断的从workQueue中获取线程然后执行。当workQueue中没有任务的时候，worker就会阻塞，直到队列中有任务了就取出来继续执行。

线程池的几个主要参数的作用 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) corePoolSize: 规定线程池有几个线程(worker)在运行。maximumPoolSize: 当workQueue满了,不能添加任务的时候，这个参数才会生效。规定线程池最多只能有多少个线程(worker)在执行。keepAliveTime: 超出corePoolSize大小的那些线程的生存时间,这些线程如果长时间没有执行任务并且超过了keepAliveTime设定的时间，就会消亡。unit: 生存时间对于的单位workQueue: 存放任务的队列threadFactory: 创建线程的工厂handler: 当workQueue已经满了，并且线程池线程数已经达到maximumPoolSize，将执行拒绝策略。任务提交后的流程分析

用户通过submit提交一个任务。线程池会执行如下流程:

判断当前运行的worker数量是否超过corePoolSize,如果不超过corePoolSize。就创建一个worker直接执行该任务。—— 线程池最开始是没有worker在运行的如果正在运行的worker数量超过或者等于corePoolSize,那么就将该任务加入到workQueue队列中去。如果workQueue队列满了,也就是offer方法返回false的话，就检查当前运行的worker数量是否小于maximumPoolSize,如果小于就创建一个worker直接执行该任务。如果当前运行的worker数量是否大于等于maximumPoolSize，那么就执行RejectedExecutionHandler来拒绝这个任务的提交。源码解析

我们先来看一下ThreadPoolExecutor中的几个关键属性。

//这个属性是用来存放当前运行的worker数量以及线程池状态的 //int是32位的，这里把int的高3位拿来充当线程池状态的标志位,后29位拿来充当当前运行worker的数量 private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0)); //存放任务的阻塞队列 private final BlockingQueue workQueue; //worker的集合,用set来存放 private final HashSet workers = new HashSet(); //历史达到的worker数最大值 private int largestPoolSize; //当队列满了并且worker的数量达到maxSize的时候,执行具体的拒绝策略 private volatile RejectedExecutionHandler handler; //超出coreSize的worker的生存时间 private volatile long keepAliveTime; //常驻worker的数量 private volatile int corePoolSize; //最大worker的数量,一般当workQueue满了才会用到这个参数 private volatile int maximumPoolSize; 1. 提交任务相关源码

下面是execute方法的源码

public void execute(Runnable command) { if (command == null) throw new NullPointerException(); int c = ctl.get(); //workerCountOf(c)会获取当前正在运行的worker数量 if (workerCountOf(c) //如果添加到队列成功了,会再检查一次线程池的状态 int recheck = ctl.get(); //如果线程池关闭了,就将刚才添加的任务从队列中移除 if (! isRunning(recheck) && remove(command)) //执行拒绝策略 reject(command); else if (workerCountOf(recheck) == 0) addWorker(null, false); } //如果加入队列失败,就尝试直接创建worker来执行任务 else if (!addWorker(command, false)) //如果创建worker失败,就执行拒绝策略 reject(command); }

添加worker的方法addWorker源码

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { retry: //使用自旋+cas失败重试来保证线程竞争问题 for (;;) { //先获取线程池的状态 int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); // 如果线程池是关闭的,或者workQueue队列非空,就直接返回false,不做任何处理 if (rs >= SHUTDOWN && ! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty())) return false; for (;;) { int wc = workerCountOf(c); //根据入参core 来判断可以创建的worker数量是否达到上限,如果达到上限了就拒绝创建worker if (wc >= CAPACITY || wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) return false; //没有的话就尝试修改ctl添加workerCount的值。这里用了cas操作,如果失败了下一个循环会继续重试,直到设置成功 if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) //如果设置成功了就跳出外层的那个for循环 break retry; //重读一次ctl,判断如果线程池的状态改变了,会再重新循环一次 c = ctl.get(); // Re-read ctl if (runStateOf(c) != rs) continue retry; } } boolean workerStarted = false; boolean workerAdded = false; Worker w = null; try { final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; //创建一个worker,将提交上来的任务直接交给worker w = new Worker(firstTask); final Thread t = w.thread; if (t != null) { //加锁,防止竞争 mainLock.lock(); try { int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); //还是判断线程池的状态 if (rs mainLock.unlock(); } //如果worker是新增的,就启动该线程 if (workerAdded) { t.start(); //成功启动了线程,设置对应的标志位 workerStarted = true; } } } finally { //如果启动失败了,会触发执行相应的方法 if (! workerStarted) addWorkerFailed(w); } return workerStarted; } 2. Worker的结构

Worker是ThreadPoolExecutor内部定义的一个内部类。我们先看一下Worker的继承关系

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable

它实现了Runnable接口,所以可以拿来当线程用。同时它还继承了AbstractQueuedSynchronizer同步器类,主要用来实现一个不可重入的锁。

一些属性还有构造方法:

//运行的线程,前面addWorker方法中就是直接通过启动这个线程来启动这个worker final Thread thread; //当一个worker刚创建的时候,就先尝试执行这个任务 Runnable firstTask; //记录完成任务的数量 volatile long completedTasks; Worker(Runnable firstTask) { setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker this.firstTask = firstTask; //创建一个Thread,将自己设置给他,后面这个thread启动的时候,也就是执行worker的run方法 this.thread = getThreadFactory().newThread(this); }

worker的run方法

public void run() { //这里调用了ThreadPoolExecutor的runWorker方法 runWorker(this); }

ThreadPoolExecutor的runWorker方法

final void runWorker(Worker w) { //获取当前线程 Thread wt = Thread.currentThread(); Runnable task = w.firstTask; w.firstTask = null; //执行unlock方法,允许其他线程来中断自己 w.unlock(); // allow interrupts boolean completedAbruptly = true; try { //如果前面的firstTask有值,就直接执行这个任务 //如果没有具体的任务,就执行getTask()方法从队列中获取任务 //这里会不断执行循环体,除非线程中断或者getTask()返回null才会跳出这个循环 while (task != null || (task = getTask()) != null) { //执行任务前先锁住,这里主要的作用就是给shutdown方法判断worker是否在执行中的 //shutdown方法里面会尝试给这个线程加锁,如果这个线程在执行,就不会中断它 w.lock(); //判断线程池状态,如果线程池被强制关闭了,就马上退出 if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) || (Thread.interrupted() && runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) && !wt.isInterrupted()) wt.interrupt(); try { //执行任务前调用。预留的方法,可扩展 beforeExecute(wt, task); Throwable thrown = null; try { //真正的执行任务 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 { //执行任务后调用。预留的方法,可扩展 afterExecute(task, thrown); } } finally { task = null; //记录完成的任务数量 w.completedTasks++; w.unlock(); } } completedAbruptly = false; } finally { processWorkerExit(w, completedAbruptly); } }

下面来看一下getTask()方法，这里面涉及到keepAliveTime的使用，从这个方法我们可以看出先吃池是怎么让超过corePoolSize的那部分worker销毁的。

private Runnable getTask() { boolean timedOut = false; for (;;) { int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); // 如果线程池已经关闭了,就直接返回null, //如果这里返回null,调用的那个worker就会跳出while循环,然后执行完销毁线程 //SHUTDOWN状态表示执行了shutdown()方法 //STOP表示执行了shutdownNow()方法 if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) { decrementWorkerCount(); return null; } //获取当前正在运行中的worker数量 int wc = workerCountOf(c); // 如果设置了核心worker也会超时或者当前正在运行的worker数量超过了corePoolSize,就要根据时间判断是否要销毁线程了 //其实就是从队列获取任务的时候要不要设置超时间时间,如果超过这个时间队列还没有任务进来,就会返回null boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; //如果上一次循环从队列获取到的未null,这时候timedOut就会为true了 if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { //通过cas来设置WorkerCount,如果多个线程竞争,只有一个可以设置成功 //最后如果没设置成功,就进入下一次循环,说不定下一次worker的数量就没有超过corePoolSize了,也就不用销毁worker了 if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) return null; continue; } try { //如果要设置超时时间,就设置一下咯 //过了这个keepAliveTime时间还没有任务进队列就会返回null,那worker就会销毁 Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take(); if (r != null) return r; //如果r为null,就设置timedOut为true timedOut = true; } catch (InterruptedException retry) { timedOut = false; } } } 3. 添加Callable任务的实现源码 public Future submit(Callable task) { if (task == null) throw new NullPointerException(); RunnableFuture ftask = newTaskFor(task); execute(ftask); return ftask; }

要添加一个有返回值的任务的实现也很简单。其实就是对任务做了一层封装，将其封装成Future，然后提交给线程池执行，最后返回这个future。这里的 newTaskFor(task) 方法会将其封装成一个FutureTask类。外部的线程拿到这个future，执行get()方法的时候,如果任务本身没有执行完，执行线程就会被阻塞，直到任务执行完。下面是FutureTask的get方法

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException { int s = state; //判断状态,如果任务还没执行完,就进入休眠,等待唤醒 if (s Callable c = callable; if (c != null && state == NEW) { V result; boolean ran; try { //执行call方法 result = c.call(); ran = true; } catch (Throwable ex) { result = null; ran = false; setException(ex); } if (ran) //这个方法里面会设置返回内容,并且唤醒所以等待中的线程 set(result); } } finally { runner = null; int s = state; if (s >= INTERRUPTING) handlePossibleCancellationInterrupt(s); } } 4. shutdown和shutdownNow方法的实现

shutdown方法会将线程池的状态设置为SHUTDOWN,线程池进入这个状态后,就拒绝再接受任务,然后会将剩余的任务全部执行完

public void shutdown() { final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { //检查是否可以关闭线程 checkShutdownAccess(); //设置线程池状态 advanceRunState(SHUTDOWN); //尝试中断worker interruptIdleWorkers(); //预留方法,留给子类实现 onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor } finally { mainLock.unlock(); } tryTerminate(); } private void interruptIdleWorkers() { interruptIdleWorkers(false); } private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) { final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { //遍历所有的worker for (Worker w : workers) { Thread t = w.thread; //先尝试调用w.tryLock(),如果获取到锁,就说明worker是空闲的,就可以直接中断它 //注意的是,worker自己本身实现了AQS同步框架,然后实现的类似锁的功能 //它实现的锁是不可重入的,所以如果worker在执行任务的时候,会先进行加锁,这里tryLock()就会返回false if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) { try { t.interrupt(); } catch (SecurityException ignore) { } finally { w.unlock(); } } if (onlyOne) break; } } finally { mainLock.unlock(); } }

shutdownNow做的比较绝，它先将线程池状态设置为STOP，然后拒绝所有提交的任务。最后中断左右正在运行中的worker,然后清空任务队列。

public List shutdownNow() { List tasks; final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { checkShutdownAccess(); //检测权限 advanceRunState(STOP); //中断所有的worker interruptWorkers(); //清空任务队列 tasks = drainQueue(); } finally { mainLock.unlock(); } tryTerminate(); return tasks; } private void interruptWorkers() { final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { //遍历所有worker，然后调用中断方法 for (Worker w : workers) w.interruptIfStarted(); } finally { mainLock.unlock(); } } 总结

java线程池的实现原理还是挺简单的。但是有一些细节还是需要去看源码才能得出答案。本文也没办法把所有的源码都讲解一遍，只列了比较重要的一些源码。有兴趣的同学可以自己打开源码好好看一下，肯定会对实现原理了解的更加深刻。

最后,如果本文有哪里说的不对或者遗漏的地方，也烦请指出，感激不尽。

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