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前言
本文主要讲述了线程、协程、线程池，常用的线程池框架，线程池基本原理，核心参数的解释，线程池主要核心方法的源码分析。通过本文可以比较清晰的理解Java中线程池的工作原理机制。
一、线程
线程是调度CPU资源的最小单位，线程模型分为KLT模型与ULT模型，JVM使用的KLT模型，Java线程与OS线程保持1:1的映射关系，也就是说有一个java线程也会在操作系统里有一个对应的线程。Java线程有多种生命状态。
NEW,新建
RUNNABLE,运行
BLOCKED,阻塞
WAITING,等待
TIMED_WAITING,超时等待
TERMINATED，终结
二、协程
协程 (纤程，用户级线程)，目的是为了追求最大力度的发挥硬件性能和提升软件的速度，协程基本原理是:在某个点挂起当前的任务，并且保存栈信息，去执行另一个任
务；等完成或达到某个条件时，再还原原来的栈信息并继续执行(整个过程线程不需要 上下文切换)。
三、线程池
1.线程的实现方式
Runnable,Thread,Callable
// 实现Runnable接口的类将被Thread执行，表示一个基本的任务
public interface Runnable {
// run方法就是它所有的内容，就是实际执行的任务
public abstract void run();
}
//Callable同样是任务，与Runnable接口的区别在于它接收泛型，同时它执行任务后带有返回内容
public interface Callable<V> {
// 相对于run方法的带有返回值的call方法
V call() throws Exception;
}2.Executor框架
Executor接口是线程池框架中最基础的部分，定义了一个用于执行Runnable的execute方法。
Executor下有一个重要子接口ExecutorService，其中定义了线程池的具体行为
1，execute（Runnable command）：履行Ruannable类型的任务,
2，submit（task）：可用来提交Callable或Runnable任务，并返回代表此任务的Future 对象
3，shutdown（）：在完成已提交的任务后封闭办事，不再接管新任务,
4，shutdownNow（）：停止所有正在履行的任务并封闭办事。
5，isTerminated（）：测试是否所有任务都履行完毕了。
6，isShutdown（）：测试是否该ExecutorService已被关闭。
3.ThreadPoolExecutor
3.1线程池的5种状态
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; ctl是对线程池的运行状态和线程池中有效线程的数量进行控制的一个字段， 它包含两部分的信息: 线程池的运行状态 (runState) 和线程池内有效线程的数量 (workerCount)，这里可以看到，使用了Integer类型来保存，高3位保存runState，低29位保存workerCount。COUNT_BITS 就是29，CAPACITY就是1左移29位减1（29个1），这个常量表示workerCount的上限值，大约是5亿。
线程池的5种状态 // runState is stored in the high-order bits //高3位为111 private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS; //高3位为000 private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS; //高3位为001 private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS; //高3位为010 private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS; //高3位为011 private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS; //获取运行状态 private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; } //获取活动线程数 private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; } //获取运行状态和活动线程数 private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
1、RUNNING
(1) 状态说明：线程池处在RUNNING状态时，能够接收新任务，以及对已添加的任务进行处理。
(2) 状态切换：线程池的初始化状态是RUNNING。换句话说，线程池被一旦被创建，就处于RUNNING状态，并且线程池中的任务数为0！
2、 SHUTDOWN
(1)状态说明：线程池处在SHUTDOWN状态时，不接收新任务，但能处理已添加的任务。
(2)状态切换：调用线程池的shutdown()接口时，线程池由RUNNING -> SHUTDOWN。
3、STOP
(1)状态说明：线程池处在STOP状态时，不接收新任务，不处理已添加的任务，并且会中断正在处理的任务。
(2)状态切换：调用线程池的shutdownNow()接口时，线程池由(RUNNING or SHUTDOWN ) -> STOP。
4、TIDYING
(1)状态说明：当所有的任务已终止，ctl记录的”任务数量”为0，线程池会变为TIDYING 状态。当线程池变为TIDYING状态时，会执行钩子函数terminated()。terminated()在
ThreadPoolExecutor类中是空的，若用户想在线程池变为TIDYING时，进行相应的处理； 可以通过重载terminated()函数来实现。
(2)状态切换：当线程池在SHUTDOWN状态下，阻塞队列为空并且线程池中执行的任务也为空时，就会由 SHUTDOWN -> TIDYING。 当线程池在STOP状态下，线程池中执行的任务为空时，就会由STOP -> TIDYING。
5、 TERMINATED
(1)状态说明：线程池彻底终止，就变成TERMINATED状态。
(2)状态切换：线程池处在TIDYING状态时，执行完terminated()之后，就会由 TIDYING -
> TERMINATED。
进入TERMINATED的条件如下：
- 线程池不是RUNNING状态；
- 线程池状态不是TIDYING状态或TERMINATED状态；
- 如果线程池状态是SHUTDOWN并且workerQueue为空；
- workerCount为0；
- 设置TIDYING状态成功。
3.2线程池创建
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler)
3.3任务提交
public void execute(Runnable command)
public Future<?> submit(Runnable task)
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task)
3.4参数解释
1.corePoolSize
线程池中的核心线程数，当提交一个任务时，线程池创建一个新线程执行任务，直到当前线程数等于corePoolSize；如果当前线程数为corePoolSize，继续提交的任务被保存到 阻塞队列中，等待被执行；如果执行了线程池的prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有核心线程。
2.maximumPoolSize
线程池中允许的最大线程数。如果当前阻塞队列满了，且继续提交任务，则创建新的线程执行任务，前提是当前线程数小于maximumPoolSize；
3.keepAliveTime
线程池维护线程所允许的空闲时间。当线程池中的线程数量大于corePoolSize的时
候，如果这时没有新的任务提交，核心线程外的线程不会立即销毁，而是会等待，直到等待的时间超过了keepAliveTime；
4.unit
keepAliveTime的单位；
5.workQueue
用来保存等待被执行的任务的阻塞队列，且任务必须实现Runable接口，在JDK中提供了如下阻塞队列：
1、ArrayBlockingQueue：基于数组结构的有界阻塞队列，按FIFO排序任务；
2、LinkedBlockingQuene：基于链表结构的阻塞队列，按FIFO排序任务，吞吐量通常要高于ArrayBlockingQuene；
3、SynchronousQuene：一个不存储元素的阻塞队列，每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQuene；
4、priorityBlockingQuene：具有优先级的无界阻塞队列；
6.threadFactory
它是ThreadFactory类型的变量，用来创建新线程。默认使用
Executors.defaultThreadFactory() 来创建线程。使用默认的ThreadFactory来创建线程时，会使新创建的线程具有相同的NORM_PRIORITY优先级并且是非守护线程，同时也设置了线程的名称。
7.handler
线程池的饱和策略，当阻塞队列满了，且没有空闲的工作线程，如果继续提交任务，必须采取一种策略处理该任务，线程池提供了4种策略：
1、AbortPolicy：直接抛出异常，默认策略；
2、CallerRunsPolicy：用调用者所在的线程来执行任务；
3、DiscardOldestPolicy：丢弃阻塞队列中靠最前的任务，并执行当前任务；
4、DiscardPolicy：直接丢弃任务；
上面的4种策略都是ThreadPoolExecutor的内部类。
当然也可以根据应用场景实现RejectedExecutionHandler接口，自定义饱和策略，如记录日志或持久化存储不能处理的任务
4.线程池原理
5.源码分析
5.1 execute方法
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
//clt记录着runState和workerCount
int c = ctl.get();
/*
* workerCountOf方法取出低29位的值，表示当前活动的线程数；
* 如果当前活动线程数小于corePoolSize，则新建一个线程放入线程池中；
* 并把任务添加到该线程中。
*/
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
/*
* addWorker中的第二个参数表示限制添加线程的数量是根据corePoolSize来判断还是maximumPoolSize来判断；
* 如果为true，根据corePoolSize来判断；
* 如果为false，则根据maximumPoolSize来判断
*/
if (addWorker(command, true))
return;
//如果添加失败，则重新获取ctl值
c = ctl.get();
}
//如果当前线程池是运行状态并且任务添加到队列成功
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
//重新获取ctl值
int recheck = ctl.get();
// 再次判断线程池的运行状态，如果不是运行状态，由于之前已经把comman 添加到workQueue中了，
// 这时需要移除该command
// 执行过后通过handler使用拒绝策略对该任务进行处理，整个方法返回
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
/*
* 获取线程池中的有效线程数，如果数量是0，则执行addWorker方法
* 这里传入的参数表示：
* 1. 第一个参数为null，表示在线程池中创建一个线程，但不去启动；
* 2. 第二个参数为false，将线程池的有限线程数量的上限设置为maximumPoolSize，添加线程时根据maximumPoolSize来判断；
* 如果判断workerCount大于0，则直接返回，在workQueue中新增的comman 会在将来的某个时刻被执行。
*/
addWorker(null, false);
}
/*
* 如果执行到这里，有两种情况：
* 1. 线程池已经不是RUNNING状态；
* 2. 线程池是RUNNING状态，但workerCount >= corePoolSize并且workQueue已满。
* 这时，再次调用addWorker方法，但第二个参数传入为false，将线程池的有限线程数量的上限设置为maximumPoolSize；
* 如果失败则拒绝该任务
*/
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}5.2 addWorker方法
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
//获取运行状态
int rs = runStateOf(c);
/*
* 这个if判断
* 如果rs >= SHUTDOWN，则表示此时不再接收新任务；
* 接着判断以下3个条件，只要有1个不满足，则返回false：
* 1. rs == SHUTDOWN，这时表示关闭状态，不再接受新提交的任务，但却可以继续处理阻塞队列中已保存的任务
* 2. firsTask为空
* 3. 阻塞队列不为空
*
* 首先考虑rs == SHUTDOWN的情况
* 这种情况下不会接受新提交的任务，所以在firstTask不为空的时候会返回false；
* 然后，如果firstTask为空，并且workQueue也为空，则返回false，
* 因为队列中已经没有任务了，不需要再添加线程了
*/
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
//获取线程数
int wc = workerCountOf(c);
// 如果wc超过CAPACITY，也就是ctl的低29位的最大值（二进制是29个1）， 返回false；
// 这里的core是addWorker方法的第二个参数，如果为true表示根据corePoolSize来比较，
// 如果为false则根据maximumPoolSize来比较。
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
//尝试增加workerCount，如果成功，则跳出第一个for循环
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
// 如果增加workerCount失败，则重新获取ctl的值
c = ctl.get();
// 如果当前的运行状态不等于rs，说明状态已被改变，返回第一个for循环继续执行
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 {
// 根据firstTask来创建Worker对象
w = new Worker(firstTask);
// 每一个Worker对象都会创建一个线程
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
int rs = runStateOf(ctl.get());
// rs < SHUTDOWN表示是RUNNING状态；
// 如果rs是RUNNING状态或者rs是SHUTDOWN状态并且firstTask为null，向线程池中添加线程。
// 因为在SHUTDOWN时不会在添加新的任务，但还是会执行workQueue中的任务
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();
//如果workers大小超过了最大线程池大小，把当前workers大小赋值给largestPoolSize
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
if (workerAdded) {
//线程启动
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}5.3 runWork方法
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);
}
}这里说明一下第一个if判断，目的是：
如果线程池正在停止，那么要保证当前线程是中断状态； 如果不是的话，则要保证当前线程不是中断状态；
这里要考虑在执行该if语句期间可能也执行了shutdownNow方法，shutdownNow方法会把状态设置为STOP，回顾一下STOP状态：不能接受新任务，也不处理队列中的任务，会中断正在处理任务的线程。在线程池处于RUNNING 或 SHUTDOWN 状态时，调用 shutdownNow() 方法会使线程池进入到该状态。STOP状态要中断线程池中的所有线程，而这里使用Thread.interrupted()来判断是否中断是为了确保在RUNNING或者SHUTDOWN状态时线程是非中断状态的，因为Thread.interrupted()方法会复位中断的状态。
总结一下runWorker方法的执行过程：
1.while循环不断地通过getTask()方法获取任务；
2.getTask()方法从阻塞队列中取任务；
3.如果线程池正在停止，那么要保证当前线程是中断状态，否则要保证当前线程不是中断状态；
4.调用task.run()执行任务；
5.如果task为null则跳出循环，执行processWorkerExit()方法；
6.runWorker方法执行完毕，也代表着Worker中的run方法执行完毕，销毁线程。这里的beforeExecute方法和afterExecute方法在ThreadPoolExecutor类中是空的，留给子类来实现。
completedAbruptly 变量来表示在执行任务过程中是否出现了异常 ， 在processWorkerExit方法中会对该变量的值进行判断。
5.4 getTask方法
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;
}
}
}这里重要的地方是第二个if判断，目的是控制线程池的有效线程数量。由上文中的分析以知道，在执行execute方法时，如果当前线程池的线程数量超过了corePoolSize且小于maximumPoolSize，并且workQueue已满时，则可以增加工作线程，但这时如果超时没有获取到任务，也就timedOut为true的情况，说明workQueue已经为空了，也就说明了当前线程池中不需要那么多线程来执行任务了，可以把多于corePoolSize数量的线程销毁掉，保持线程数量在corePoolSize即可。
什么时候会销毁？当然是runWorker方法执行完之后，也就是Worker中的run方法执行完，由JVM自动回收。
getTask 方法返回null时，在runWorker方法中会跳出while 循环， 然后会执行processWorkerExit方法。
5.5 processWorkerExit方法
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);
}
}总结
本文主要讲述了线程、协程、线程池，常用的线程池框架，线程池基本原理，线程池主要源码分析。欢迎大家指正和评论。
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