Java 线程池架构原理和源码解析(ThreadPoolExecutor)

在前面介绍JUC的文章中，提到了关于线程池Execotors的创建介绍，在文章：《java之JUC系列-外部Tools》中第一部分有详细的说明，请参阅；

文章中其实说明了外部的使用方式，但是没有说内部是如何实现的，为了加深对实现的理解，在使用中可以放心，我们这里将做源码解析以及反馈到原理上，Executors工具可以创建普通的线程池以及schedule调度任务的调度池，其实两者实现上还是有一些区别，但是理解了ThreadPoolExecutor，在看ScheduledThreadPoolExecutor就非常轻松了，后面的文章中也会专门介绍这块，但是需要先看这篇文章。

使用Executors最常用的莫过于是使用：Executors.newFixedThreadPool(int)这个方法，因为它既可以限制数量，而且线程用完后不会一直被cache住；那么就通过它来看看源码，回过头来再看其他构造方法的区别：

在《java之JUC系列-外部Tools》文章中提到了构造方法，为了和本文对接，再贴下代码：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

其实你可以自己new一个ThreadPoolExecutor，来达到自己的参数可控的程度，例如，可以将LinkedBlockingQueue换成其它的（如：SynchronousQueue），只是可读性会降低，这里只是使用了一种设计模式。

我们现在来看看ThreadPoolExecutor的源码是怎么样的，也许你刚开始看他的源码会很痛苦，因为你不知道作者为什么是这样设计的，所以本文就我看到的思想会给你做一个介绍，此时也许你通过知道了一些作者的思想，你也许就知道应该该如何去操作了。

这里来看下构造方法中对那些属性做了赋值：

源码段1：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
        if (corePoolSize < 0 ||
            maximumPoolSize <= 0 ||
            maximumPoolSize < corePoolSize ||
            keepAliveTime < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
            throw new NullPointerException();
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
        this.threadFactory = threadFactory;
        this.handler = handler;
    }

这里你可以看到最终赋值的过程，可以先大概知道下参数的意思：

corePoolSize：核心运行的poolSize，也就是当超过这个范围的时候，就需要将新的Thread放入到等待队列中了；

maximumPoolSize：一般你用不到，当大于了这个值就会将Thread由一个丢弃处理机制来处理，但是当你发生：newFixedThreadPool的时候，corePoolSize和maximumPoolSize是一样的，而corePoolSize是先执行的，所以他会先被放入等待队列，而不会执行到下面的丢弃处理中，看了后面的代码你就知道了。

workQueue：等待队列，当达到corePoolSize的时候，就向该等待队列放入线程信息（默认为一个LinkedBlockingQueue），运行中的队列属性为：workers，为一个HashSet；内部被包装了一层，后面会看到这部分代码。

keepAliveTime：默认都是0，当线程没有任务处理后，保持多长时间，cachedPoolSize是默认60s，不推荐使用。

threadFactory：是构造Thread的方法，你可以自己去包装和传递，主要实现newThread方法即可；

handler：也就是参数maximumPoolSize达到后丢弃处理的方法，java提供了5种丢弃处理的方法，当然你也可以自己弄，主要是要实现接口：RejectedExecutionHandler中的方法：

public void rejectedExecution(Runnabler, ThreadPoolExecutor e)

java默认的是使用：AbortPolicy，他的作用是当出现这中情况的时候会抛出一个异常；其余的还包含：

1、CallerRunsPolicy：如果发现线程池还在运行，就直接运行这个线程

2、DiscardOldestPolicy：在线程池的等待队列中，将头取出一个抛弃，然后将当前线程放进去。

3、DiscardPolicy：什么也不做

4、AbortPolicy：java默认，抛出一个异常：RejectedExecutionException。

通常你得到线程池后，会调用其中的：submit方法或execute方法去操作；其实你会发现，submit方法最终会调用execute方法来进行操作，只是他提供了一个Future来托管返回值的处理而已，当你调用需要有返回值的信息时，你用它来处理是比较好的；这个Future会包装对Callable信息，并定义一个Sync对象（），当你发生读取返回值的操作的时候，会通过Sync对象进入锁，直到有返回值的数据通知，具体细节先不要看太多，继续向下：

来看看execute最为核心的方法吧:

源码段2：

public void execute(Runnable command) {
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {
            if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
                if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
                    ensureQueuedTaskHandled(command);
            }
            else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
                reject(command); // is shutdown or saturated
        }
    }

这段代码看似简单，其实有点难懂，很多人也是这里没看懂，没事，我一个if一个if说：

首先第一个判定空操作就不用说了，下面判定的poolSize >= corePoolSize成立时候会进入if的区域，当然它不成立也有可能会进入，他会判定addIfUnderCorePoolSize是否返回false，如果返回false就会进去；

我们先来看下addIfUnderCorePoolSize方法的源码是什么：

源码段3：

 private boolean addIfUnderCorePoolSize(Runnable firstTask) {
        Thread t = null;
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            if (poolSize < corePoolSize && runState == RUNNING)
                t = addThread(firstTask);
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        if (t == null)
            return false;
        t.start();
        return true;
    }

可以发现，这段源码是如果发现小雨corePoolSize就会创建一个新的线程，并且调用线程的start()方法将线程运行起来:这个addThread()方法，我们先不考虑细节，因为我们还要先看到前面是怎么进去的，这里可以发信啊，只有没有创建成功Thread才会返回false，也就是当当前的poolSize > corePoolSize的时候，或线程池已经不是在running状态的时候才会出现；

注意：这里在外部判定一次poolSize和corePoolSize只是初步判定，内部是加锁后判定的，以得到更为准确的结果，而外部初步判定如果是大于了，就没有必要进入这段有锁的代码了。

此时我们知道了，当前线程数量大于corePoolSize的时候，就会进入【代码段2】的第一个if语句中，回到【源码段2】，继续看if语句中的内容:

这里标记为

源码段4：

if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
   if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
       ensureQueuedTaskHandled(command);
   }
   else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
       reject(command); // is shutdown or saturated

第一个if，也就是当当前状态为running的时候，就会去执行workQueue.offer(command)，这个workQueue其实就是一个BlockingQueue，offer()操作就是在队列的尾部写入一个对象，此时写入的对象为线程的对象而已；所以你可以认为只有线程池在RUNNING状态，才会在队列尾部插入数据，否则就执行else if，其实else if可以看出是要做一个是否大于MaximumPoolSize的判定，如果大于这个值，就会做reject的操作，关于reject的说明，我们在【源码段1】的解释中已经非常明确的说明，这里可以简单看下源码，以应征结果：

源码段5：

private boolean addIfUnderMaximumPoolSize(Runnable firstTask) {
        Thread t = null;
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            if (poolSize < maximumPoolSize && runState == RUNNING)
                //在corePoolSize = maximumPoolSize下，该代码几乎不可能运行
                t = addThread(firstTask);
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        if (t == null)
            return false;
        t.start();
        return true;
}
void reject(Runnable command) {
        handler.rejectedExecution(command, this);
    }

也就是如果线程池满了，而且线程池调用了shutdown后，还在调用execute方法时，就会抛出上面说明的异常：RejectedExecutionException

再回头来看下【代码段4】中进入到等待队列后的操作：

if (runState != RUNNING || poolSize == 0)

ensureQueuedTaskHandled(command);

这段代码是要在线程池运行状态不是RUNNING或poolSize == 0才会调用，他是干啥呢？

他为什么会不等于RUNNING呢？外面那一层不是判定了他== RUNNING了么，其实有时间差就是了，如果是poolSize == 0也会执行这段代码，但是里面的判定条件是如果不是RUNNING，就做reject操作，在第一个线程进去的时候，会将第一个线程直接启动起来；很多人也是看这段代码很绕，因为不断的循环判定类似的判定条件，你主要记住他们之间有时间差，要取最新的就好了。

此时貌似代码看完了？咦，此时有问题了：

1、  等待中的线程在后来是如何跑起来的呢？线程池是不是有类似Timer一样的守护进程不断扫描线程队列和等待队列？还是利用某种锁机制，实现类似wait和notify实现的？

2、  线程池的运行队列和等待队列是如何管理的呢？这里还没看出影子呢！

NO，NO，NO！

Java在实现这部分的时候，使用了怪异的手段，神马手段呢，还要再看一部分代码才晓得。

在前面【源码段3】中，我们看到了一个方法叫：addThread()，也许很少有人会想到关键在这里，其实关键就是在这里：

我们看看addThread()方法到底做了什么。

源码段6：

 private Thread addThread(Runnable firstTask) {
        Worker w = new Worker(firstTask);
        Thread t = threadFactory.newThread(w);
        if (t != null) {
            w.thread = t;
            workers.add(w);
            int nt = ++poolSize;
            if (nt > largestPoolSize)
                largestPoolSize = nt;
        }
        return t;
    }

这里创建了一个Work，其余的操作，就是讲poolSize叠加，然后将将其放入workers的运行队列等操作；

我们主要关心Worker是干什么的，因为这个threadFactory对我们用途不大，只是做了Thread的命名处理；而Worker你会发现它的定义也是一个Runnable，外部开始在代码段中发现了调用哪个这个Worker的start()方法，也就是线程的启动方法，其实也就是调用了Worker的run()方法，那么我们重点要关心run方法是如何处理的

源码段7：

public void run() {
            try {
                Runnable task = firstTask;
                firstTask = null;
                while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                    runTask(task);
                    task = null;
                }
            } finally {
                workerDone(this);
            }
        }

FirstTask其实就是开始在创建work的时候，由外部传入的Runnable对象，也就是你自己的Thread，你会发现它如果发现task为空，就会调用getTask()方法再判定，直到两者为空，并且是一个while循环体。

那么看看getTask()方法的实现为：

源码段8：

 Runnable getTask() {
        for (;;) {
            try {
                int state = runState;
                if (state > SHUTDOWN)
                    return null;
                Runnable r;
                if (state == SHUTDOWN)  // Help drain queue
                    r = workQueue.poll();
                else if (poolSize > corePoolSize || allowCoreThreadTimeOut)
                    r = workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS);
                else
                    r = workQueue.take();
                if (r != null)
                    return r;
                if (workerCanExit()) {
                    if (runState >= SHUTDOWN) // Wake up others
                        interruptIdleWorkers();
                    return null;
                }
                // Else retry
            } catch (InterruptedException ie) {
                // On interruption, re-check runState
            }
        }
    }

你会发现它是从workQueue队列中，也就是等待队列中获取一个元素出来并返回！

回过头来根据代码段6理解下：

当前线程运行完后，在到workQueue中去获取一个task出来，继续运行，这样就保证了线程池中有一定的线程一直在运行；此时若跳出了while循环，只有workQueue队列为空才会出现或出现了类似于shutdown的操作，自然运行队列会减少1，当再有新的线程进来的时候，就又开始向worker里面放数据了，这样以此类推，实现了线程池的功能。

这里可以看下run方法的finally中调用的workerDone方法为：

源码段9：

void workerDone(Worker w) {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            completedTaskCount += w.completedTasks;
            workers.remove(w);
            if (--poolSize == 0)
                tryTerminate();
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
    }

注意这里将workers.remove(w)掉，并且调用了—poolSize来做操作。

至于tryTerminate是做了更多关于回收方面的操作。

最后我们还要看一段代码就是在【源码段6】中出现的代码调用为：runTask(task);这个方法也是运行的关键。

源码段10：

private void runTask(Runnable task) {
            final ReentrantLock runLock = this.runLock;
            runLock.lock();
            try {
                if (runState < STOP &&
                    Thread.interrupted() &&
                    runState >= STOP)
                    thread.interrupt();

                boolean ran = false;
                beforeExecute(thread, task);
                try {
                    task.run();
                    ran = true;
                    afterExecute(task, null);
                    ++completedTasks;
                } catch (RuntimeException ex) {
                    if (!ran)
                        afterExecute(task, ex);
                    throw ex;
                }
            } finally {
                runLock.unlock();
            }
        }

你可以看到，这里面的task为传入的task信息，调用的不是start方法，而是run方法，因为run方法直接调用不会启动新的线程，也是因为这样，导致了你无法获取到你自己的线程的状态，因为线程池是直接调用的run方法，而不是start方法来运行。

这里有个beforeExecute和afterExecute方法，分别代表在执行前和执行后，你可以做一段操作，在这个类中，这两个方法都是【空body】的，因为普通线程池无需做更多的操作。

如果你要实现类似暂停等待通知的或其他的操作，可以自己extends后进行重写构造；

本文没有介绍关于ScheduledThreadPoolExecutor调用的细节，下一篇文章会详细说明，因为大部分代码和本文一致，区别在于一些细节，在介绍：ScheduledThreadPoolExecutor的时候，会明确的介绍它与Timer和TimerTask的巨大区别，区别不在于使用，而是在于本身内在的处理细节。