【从0到1学习Java线程池】Java线程池原理

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这是【从0到1学习Java线程池】系列文章的第 贰 篇，该系列文章总共三篇，介绍了 Java 线程池的使用以及原理，并且最后会实现一个基本的线程池。本篇文章介绍了 Java 线程池的原理。

【从0到1学习Java线程池】系列文章共有3篇，目录如下：

在上一篇文章中（【从0到1学习Java线程池】Java线程池的简介以及使用），我们总结了线程池的3个优点：

  • 线程复用
  • 控制最大并发数
  • 管理线程

这篇文章会分别从这三个方面，结合具体的代码实现来剖析 Java 线程池的原理以及它的具体实现。

线程复用

我们知道线程池的一个作用是创建和销毁线程的次数，每个工作线程可以多次使用。这个功能就是线程复用。想要了解 Java 线程池是如何进行线程复用的，我们首先需要了解线程的生命周期。

线程生命周期

下图描述了线程完整的生命周期：

在一个线程完整的生命周期中，它可能经历五种状态：新建（New）、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞（Blocked）、终止（Zombie）。

在 Java中，Thread 通过new来新建一个线程，这个过程是是初始化一些线程信息，如线程名、id、线程所属group等，可以认为只是个普通的对象。调用Thread的start()后Java虚拟机会为其创建方法调用栈和程序计数器，同时将hasBeenStarted为true，之后如果再次调用start()方法就会有异常。

处于这个状态中的线程并没有开始运行，只是表示该线程可以运行了。至于该线程何时开始运行，取决于 JVM 里线程调度器的调度。当线程获取CPU后，run()方法会被调用。不要自己去调用Thread的run()方法。之后根据CPU的调度，线程就会在就绪—运行—阻塞间切换，直到run()方法结束或其他方式停止线程，进入终止状态。

因此，如果要实现线程的复用，我们必须要保证线程池中的线程保持存活状态（就绪、运行、阻塞）。接下来，我们就来看看ThreadPoolExecutor是如何实现线程复用的。

Worker 类

ThreadPoolExecutor主要是通过一个类来控制线程复用的：Worker 类。

我们来看一下简化后的 Worker 类代码：

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private final class Worker implements Runnable {

	final Thread thread;

	Runnable firstTask;

	Worker(Runnable firstTask) {
		this.firstTask = firstTask;
		this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
	}

	public void run() {
		runWorker(this);
	}

	final void runWorker(Worker w) {
		Runnable task = w.firstTask;
		w.firstTask = null;
		while (task != null || (task = getTask()) != null){
		task.run();
		}
    }

  ……
}

从代码中，我们可以看到 Worker 实现了 Runnable 接口，并且它还有一个 Thread成员变量 thread，这个 thread 就是要开启运行的线程。我们看到 Worker 的构造方法中传递了一个 Runnable 参数，同时它把自己作为参数传入 newThread()，这样的话，当 Thread 的start()方法得到调用时，执行的其实是 Worker 的run()方法，即runWorker()方法。

runWorker()方法之中有一个 while 循环，使用 getTask()来获取任务，并执行。接下来，我们将会看到getTask()是如何获取到 Runnable 对象的。

getTask()

我们来看一下简化后的getTask()代码：

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private Runnable getTask() {
  if(一些特殊情况) {
    return null;
  }
  Runnable r = workQueue.take();
  return r;
}

我们可以看到任务是从 workQueue中获取的，这个 workQueue 就是我们初始化 ThreadPoolExecutor 时存放任务的 BlockingQueue队列，这个队列里的存放的都是将要执行的 Runnable任务。因为 BlockingQueue 是个阻塞队列，BlockingQueue.take()返回的是空，则进入等待状态直到 BlockingQueue 有新的对象被加入时唤醒阻塞的线程。所以一般情况下，Thread的run()方法不会结束，而是不断执行workQueue里的Runnable任务，这就达到了线程复用的目的了。

控制最大并发数

我们现在已经知道了 Java 线程池是如何做到线程复用的了，但是Runnable 是什么时候被放入 workQueue 队列中的呢，Worker里的Thread的又是什么时候调用start()开启新线程来执行Worker的run()方法的呢？从上面的分析中我们可以看出Worker里的runWorker()执行任务时是一个接一个，串行进行的，那并发是怎么体现的呢？它又是如何做到控制最大并发数的呢？

execute()

通过查看 execute()就能解答上述的一些问题，同样是简化后的代码：

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public void execute(Runnable command) {
  if (command == null) throw new NullPointerException();
  int c = ctl.get();
  // 当前线程数 < corePoolSize
  if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
    // 直接启动新的线程。
    if (addWorker(command, true))
      return;
    c = ctl.get();
  }
  // 活动线程数 >= corePoolSize
  // runState为RUNNING && 队列未满
  if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
    int recheck = ctl.get();
    // 再次检验是否为RUNNING状态
    // 非RUNNING状态 则从workQueue中移除任务并拒绝
    if (!isRunning(recheck) && remove(command))
      reject(command);
    // 采用线程池指定的策略拒绝任务
    // 两种情况：
    // 1.非RUNNING状态拒绝新的任务
    // 2.队列满了启动新的线程失败（workCount > maximumPoolSize）
  } else if (!addWorker(command, false))
    reject(command);
}

addWorker()

我们再来看一下addWorker()的简化代码：

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private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
  int wc = workerCountOf(c);
  if (wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) {
    return false;
  }
  w = new Worker(firstTask);
  final Thread t = w.thread;
  t.start();
}

根据上面的代码，线程池工作过程中是如何添加任务的就很清晰了：

  • 如果正在运行的线程数量小于 corePoolSize，那么马上创建线程运行这个任务；
  • 如果正在运行的线程数量大于或等于 corePoolSize，那么将这个任务放入队列；
  • 如果这时候队列满了，而且正在运行的线程数量小于 maximumPoolSize，那么还是要创建非核心线程立刻运行这个任务；
  • 如果队列满了，而且正在运行的线程数量大于或等于 maximumPoolSize，那么线程池会抛出异常RejectExecutionException

如果通过addWorker()成功创建新的线程，则通过start()开启新线程，同时将firstTask作为这个Worker里的run()中执行的第一个任务。虽然每个Worker的任务是串行处理，但如果创建了多个Worker，因为共用一个workQueue，所以就会并行处理了。所以可以根据corePoolSize和maximumPoolSize来控制最大并发数。

过程如下图所示：

一个例子

如果是做 Android 开发的，并且对 Handler 原理比较熟悉，你可能会觉得这个图挺熟悉，其中的一些过程和Handler，Looper，Meaasge使用中，很相似。Handler.send(Message)相当于execute(Runnuble)，Looper中维护的Meaasge队列相当于BlockingQueue，只不过需要自己通过同步来维护这个队列，Looper中的loop()函数循环从Meaasge队列取Meaasge和Worker中的runWork()不断从BlockingQueue取Runnable是同样的道理。

管理线程

上边的文章已经讲了，通过线程池可以很好的管理线程的复用，控制并发数，以及销毁等过程，而线程的管理过程已经穿插在其中了，也很好理解。

在 ThreadPoolExecutor 有个AtomicInteger变量 ctl，这一个变量保存了两个内容：

  • 所有线程的数量
  • 每个线程所处的状态

其中低29位存线程数，高3位存runState，通过位运算来得到不同的值。

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private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

//得到线程的状态
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }

//得到Worker的的数量
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }

// 判断线程是否在运行
private static boolean isRunning(int c) { return c < SHUTDOWN; }

这里主要通过shutdown和shutdownNow()来分析线程池的关闭过程。首先线程池有五种状态来控制任务添加与执行。主要介绍以下三种：

  • RUNNING状态：线程池正常运行，可以接受新的任务并处理队列中的任务；
  • SHUTDOWN状态：不再接受新的任务，但是会执行队列中的任务；
  • STOP状态：不再接受新任务，不处理队列中的任务

shutdown()这个方法会将runState置为SHUTDOWN，会终止所有空闲的线程，而仍在工作的线程不受影响，所以队列中的任务人会被执行；shutdownNow()方法将runState置为STOP。和shutdown()方法的区别是，这个方法会终止所有的线程，所以队列中的任务也不会被执行了。

参考资料：http://www.kuqin.com/shuoit/20160829/352799.html

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