ThreadPoolExecutor的应用和实现分析（中）—— 任务处理相关源码分析

前面一篇文章从Executors中的工厂方法入手，已经对ThreadPoolExecutor的构造和使用做了一些整理。而这篇文章，我们将接着前面的介绍，从源码实现上对ThreadPoolExecutor在任务的提交、执行，线程重用和线程数维护等方面做下分析。

0.    ThreadPoolExecutor类的声明属性变量分析

1	public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService

从这个类声明中我们可以看到java.util.ThreadPoolExecutor是继承于AbstractExecutorService的，而之前的文章我也提到过，AbstractExecutorService已经实现了一些任务提交处理的方法，如submit()方法都是在这个抽象类中实现的。但submit()方法，最后也是会调用ThreadPoolExecutor的execute()方法。

打开SunJDK中的ThreadPoolExecutor类源码，除了上篇文章提到的一些和构造方法中参数对应的属性之外，让我们看看还有什么：

• mainLock 对整个ThreadPoolExecutor对象的锁
• workers  存储工作线程对应Worker对象的HashSet
• termination 线程池ThreadPoolExecutor对象的生命周期终止条件，和mainLock相关
• largestPoolSize 线程池跑过的最大线程数
• completedTaskCount 完成任务数
• ctl 执行器ThreadPoolExecutor的生命周期状态和活动状态的worker数封装

稍微需要说一下最后一个, ctl是一个AtomicInteger对象，以位运算的方式打包封装了当前线程池ThreadPoolExecutor对象的状态和活动线程数两个数据

1.    执行器状态

ExecutorService中已经指定了这个接口对应的类要实现的方法，其中就包括shutdown()和shutdownNow()等方法。在ThreadPoolExecutor中指明了状态的含义，并包含其于ctl属性中。

ThreadPoolExecutor对象有五种状态，如下:

• RUNNING 在ThreadPoolExecutor被实例化的时候就是这个状态
• SHUTDOWN 通常是已经执行过shutdown()方法，不再接受新任务，等待线程池中和队列中任务完成
• STOP 通常是已经执行过shutdownNow()方法，不接受新任务，队列中的任务也不再执行，并尝试终止线程池中的线程
• TIDYING 线程池为空，就会到达这个状态，执行terminated()方法
• TERMINATED terminated()执行完毕，就会到达这个状态，ThreadPoolExecutor终结

2.    Worker内部类

它既实现了Runnable，同时也是一个AQS ( AbstractQueuedSynchronizer )。

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private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable

封装了3样东西，Runnable类的首个任务对象，执行的线程thread和完成的任务数(volatile)completedTasks。

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final Thread thread; Runnable firstTask; volatile long completedTasks;

这个类还提供了interruptIfStarted()这样一个方法，里面做了（getState()>= 0）的判断。与此呼应，Worker的构造方法里对state设置了-1，避免在线程执行前被停掉。

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Worker(Runnable firstTask) {     setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker     this.firstTask = firstTask;     this.thread = getThreadFactory().newThread(this); }

3. 提交任务

上篇文章已经提到了，提交新任务的时候，如果没达到核心线程数corePoolSize，则开辟新线程执行。如果达到核心线程数corePoolSize, 而队列未满，则放入队列，否则开新线程处理任务，直到maximumPoolSize，超出则丢弃处理。

这段源码逻辑如下，不细说了。

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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); }

4. addWorker()的实现

在上面提交任务的时候，会出现开辟新的线程来执行，这会调用addWorker()方法。

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private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {     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         }     }       boolean workerStarted = false;     boolean workerAdded = false;     Worker w = null;     try {         final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;         w = new Worker(firstTask);         final Thread t = w.thread;         if (t != null) {             mainLock.lock();             try {                 // Recheck while holding lock.                 // Back out on ThreadFactory failure or if                 // shut down before lock acquired.                 int c = ctl.get();                 int rs = runStateOf(c);                   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; }

代码较长，我们可以分两大部分看：

第一段从第3行到第26行，是双层无限循环，尝试增加线程数到ctl变量，并且做一些比较判断，如果超出线程数限定或者ThreadPoolExecutor的状态不符合要求，则直接返回false，增加worker失败。

第二段从第28行开始到结尾，把firstTask这个Runnable对象传给Worker构造方法，赋值给Worker对象的task属性。Worker对象把自身（也是一个Runnable）封装成一个Thread对象赋予Worker对象的thread属性。锁住整个线程池并实际增加worker到workers的HashSet对象当中。成功增加后开始执行t.start()，就是worker的thread属性开始运行，实际上就是运行Worker对象的run方法。Worker的run()方法实际上调用了ThreadPoolExecutor的runWorker()方法。

5. 任务的执行runWorker()

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final void runWorker(Worker w) {         Thread wt = Thread.currentThread();         Runnable task = w.firstTask;         w.firstTask = null;         w.unlock(); // allow interrupts         boolean completedAbruptly = true;         try {             while (task != null || (task = getTask()) != null) {                 w.lock();                 // If pool is stopping, ensure thread is interrupted;                 // if not, ensure thread is not interrupted.  This                 // requires a recheck in second case to deal with                 // shutdownNow race while clearing interrupt                 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();                     } catch (RuntimeException x) {                         thrown = x; throw x;                     } catch (Error x) {                         thrown = x; throw x;                     } catch (Throwable x) {                         thrown = x; throw new Error(x);                     } finally {                         afterExecute(task, thrown);                     }                 } finally {                     task = null;                     w.completedTasks++;                     w.unlock();                 }             }             completedAbruptly = false;         } finally {             processWorkerExit(w, completedAbruptly);         }     }

这段代码实际上就是执行提交给线程池执行的Runnable任务的实际内容。其中，值得注意的有以下几点：

• 线程开始执行前，需要对worker加锁，完成一个任务后执行unlock()
• 在任务执行前后，执行beforeExecute()和afterExecute()方法
• 记录任务执行中的异常后，继续抛出
• 每个任务完成后，会记录当前线程完成的任务数
• 当worker执行完一个任务的时候，包括初始任务firstTask，会调用getTask()继续获取任务，这个方法调用是可以阻塞的
• 线程退出，执行processWorkerExit(w, completedAbruptly)处理

5. Worker线程的复用和任务的获取getTask()

在上一段代码中，也就是runWorker()方法，任务的执行过程是嵌套在while循环语句块中的。每当一个任务执行完毕，会从头开始做下一次循环执行，实现了空闲线程的复用。而要执行的任务则是来自于getTask()方法：

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private Runnable getTask() {         boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?           retry:         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;             }               boolean timed;      // Are workers subject to culling?               for (;;) {                 int wc = workerCountOf(c);                 timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;                   if (wc <= maximumPoolSize && ! (timedOut && timed))                      break;                 if (compareAndDecrementWorkerCount(c))                      return null;                 c = ctl.get();                 // Re-read ctl                 if (runStateOf(c) != rs)                      continue retry;                 // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop              }              try {                  Runnable r = timed ?                      workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :                      workQueue.take();                  if (r != null)                      return r;                  timedOut = true;              } catch (InterruptedException retry) {                  timedOut = false;              }          }      }

getTask()实际上是从工作队列（workQueue）中取提交进来的任务。这个workQueue是一个BlockingQueue，通常当队列中没有新任务的时候，则getTask()会阻塞。另外，还有定时阻塞这样一段逻辑：如果从队列中取任务是计时的，则用poll()方法，并设置等待时间为keepAlive，否则调用阻塞方法take()。当poll()超时，则获取到的任务为null，timeOut设置为 true。这段代码也是放在一个for(;;)循环中，前面有判断超时的语句，如果超时，则return null。这意味着runWorker()方法的while循环结束，线程将退出，执行processWorkerExit()方法。

回头看看是否计时是如何确定的。

1 2	int wc = workerCountOf(c); timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;

即判断当前线程池的线程数是否超出corePoolSize，如果超出这个值并且空闲时间多于keepAlive则当前线程退出。

另外一种情况就是allowCoreThreadTimeOut为true，就是允许核心在空闲超时的情况下停掉。

6. 线程池线程数的维护和线程的退出处理

刚刚也提到了，我们再看下processWorkerExit()方法。这个方法最主要就是从workers的Set中remove掉一个多余的线程。

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private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {          if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted              decrementWorkerCount();          final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;          mainLock.lock();          try {              completedTaskCount += w.completedTasks;              workers.remove(w);          } finally {              mainLock.unlock();          }          tryTerminate();          int c = ctl.get();          if (runStateLessThan(c, STOP)) {              if (!completedAbruptly) {                  int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;                  if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())                     min = 1;                  if (workerCountOf(c) >= min)                     return; // replacement not needed             }             addWorker(null, false);         }     }

这个方法的第二个参数是判断是否在runWorker()中正常退出了循环向下执行，如果不是，说明在执行任务的过程中出现了异常，completedAbruptly为true，线程直接退出，需要直接对活动线程数减1 。

之后，加锁统计完成的任务数，并从workers这个集合中移除当前worker。

执行tryTerminate()，这个方法后面会详细说，主要就是尝试将线程池推向TERMINATED状态。

最后比较当前线程数是不是已经低于应有的线程数，如果这个情况发生，则添加无任务的空Worker到线程池中待命。

以上，增加新的线程和剔除多余的线程的过程大概就是如此，这样线程池能保持额定的线程数，并弹性伸缩，保证系统的资源不至于过度消耗。