并发系列（6）之 ThreadPoolExecutor 详解

本文将主要介绍我们平时最常用的线程池 ThreadPoolExecutor ，有可能你平时没有直接使用这个类，而是使用 Executors 的工厂方法创建线程池，虽然这样很简单，但是很可能因为这个线程池发生 OOM ，具体情况文中会详细介绍；

二、ThreadPoolExecutor 概览

ThreadPoolExecutor 的继承关系如图所示：

其中：

• Executor：定义了 executor(Runnable command) 异步接口，但是没有强制要求异步；
• ExecutorService：提供了生命周期管理的方法，以及有返回值的任务提交；
• AbstractExecutorService：提供了 ExecutorService 的默认实现；

1. 主体结构

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
  private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));  // 状态控制变量，核心
  private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;                         // 任务等待队列
  private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();           // 工作线程集合
  private volatile ThreadFactory threadFactory;       // 线程构造工厂
  private volatile RejectedExecutionHandler handler;  // 拒绝策略
  private volatile long keepAliveTime;                // 空闲线程的存活时间（非核心线程）
  private volatile int corePoolSize;                  // 核心线程大小
  private volatile int maximumPoolSize;               // 工作线程最大容量

  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.acc = System.getSecurityManager() == null ? null : AccessController.getContext();
    this.corePoolSize = corePoolSize;
    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
    this.workQueue = workQueue;
    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
    this.threadFactory = threadFactory;
    this.handler = handler;
  }
  ...
}

这里已经可以大致看出 ThreadPoolExecutor 的结构了：

2. Worker 结构

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable {
  final Thread thread;  // 持有线程，只有在线程工厂运行失败时为空
  Runnable firstTask;   // 初始化任务，不为空的时候，任务直接运行，不在添加到队列
  volatile long completedTasks;  // 完成任务计数

  Worker(Runnable firstTask) {
    setState(-1);   // AQS 初始化状态
    this.firstTask = firstTask;
    this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
  }

  public void run() {
    runWorker(this);  // 循环取任务执行
  }
  ...
  // AQS 锁方法
}

这里很容易理解的是 thread 和 firstTask；但是 Worker 还继承了 AQS 做了一个简易的互斥锁，主要是在中断或者 worker 状态改变的时候使用；具体 AQS 的详细说明可以参考，AbstractQueuedSynchronizer 源码分析 ；

3. ctl 控制变量

ctl 控制变量（简记 c）是一个 AtomicInteger 类型的变量，由两部分信息组合而成（两个值互补影响，又可以通过简单的大小比较判断状态）：

• 线程池的运行状态 (runState，简记 rs)，由 int 高位的前三位表示；
• 线程池内有效线程的数量 (workerCount，简记 wc)，由 int 地位的29位表示；

源码如下：

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;       // 用来表示线程数量的位数
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;  // 线程最大容量

                                                         // 状态量
private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;  // 高位 111，第一位是符号位，1表示负数
private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;  // 高位 000
private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;  // 高位 001
private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;  // 高位 010
private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;  // 高位 011

private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }  // 运行状态，取前3位
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }   // 线程数量，取后29位
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }        // 状态和数量合成

private static boolean runStateLessThan(int c, int s) { return c < s; } // 状态比较
private static boolean runStateAtLeast(int c, int s) { return c >= s; }
private static boolean isRunning(int c) { return c < SHUTDOWN; } // RUNNING 是负数，必然小于 SHUTDOWN

代码中可以看到状态判断的时候都是直接比较的，这是因为 TERMINATED > TIDYING > STOP > SHUTDOWN > RUNNING ；他们的状态变迁关系如下：

其中：

• RUNNING：运行状态，可接收新任务；
• SHUTDOWN：不可接收新任务，继续处理已提交的任务；
• STOP：不接收、不处理任务，中断正在进行的任务
• TIDYING：所有任务清空，线程停止；
• TERMINATED：钩子方法，执行后的最终状态；

三、ThreadPoolExecutor 源码分析

1. 增加工作线程

    private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
        retry:
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);

            // 这里正常情况下，只要大于SHUTDOWN，则必然不能添加线程；但是这里做了一个优化，
            // 如果线程池还在继续处理任务，则可以添加线程加速处理，
            // SHUTDOWN 表示不接收新任务，但是还在继续处理，
            // firstTask 不为空时，是在添加线程的时候，firstTask 不入队，直接处理
            // workQueue 不为空时，则还有任务需要处理
            // 所以连起来就是 rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty()
            if (rs >= SHUTDOWN &&
                ! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty()))
                return false;

            for (;;) {
                int wc = workerCountOf(c);
                if (wc >= CAPACITY ||  // 容量超出，则返回
                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                    return false;
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    break retry;  // 线程数增加成功，则跳出循环
                c = ctl.get();  // Re-read ctl
                if (runStateOf(c) != rs)  // 如果线程状态改变时，重头开始重试
                    continue retry;
            }
        }
        // 此时线程计数，增加成功

        boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try {
            w = new Worker(firstTask);
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) {  // 线程创建失败时，直接退出
                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
                mainLock.lock();
                try {
                    int rs = runStateOf(ctl.get());
                    if (rs < SHUTDOWN ||
                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { // 这里同样检查上面的优化条件
                        if (t.isAlive()) // 如果线程已经启动，则状态错误；
                            throw new IllegalThreadStateException();
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize) largestPoolSize = s;  // 记录工作线程的最大数，统计峰值用
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                if (workerAdded) {
                    t.start();  // 启动线程
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (! workerStarted) addWorkerFailed(w); // 添加失败清除
        }
        return workerStarted;
    }

2. 提交任务

public void execute(Runnable command) {
  if (command == null) throw new NullPointerException();
  int c = ctl.get();
  if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {   // 如果小于核心线程，直接添加
    if (addWorker(command, true)) return;
    c = ctl.get();
  }
  if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {  // 任务入队
    int recheck = ctl.get();
    if (!isRunning(recheck) && remove(command))  // 再次检查，状态不是RUNNING的时候，拒绝并移除任务
      reject(command);
    else if (workerCountOf(recheck) == 0)  // 这里是防止状态为SHUTDOWN时，已经添加的任务无法执行
      addWorker(null, false);
  }
  else if (!addWorker(command, false))  // 任务入队失败时，直接添加线程，并运行
    reject(command);
}

流程图如下：

所以影响任务提交的因数就有：

• 核心线程的大小；
• 是否为阻塞队列；
• 线程池的大小；

3. 处理任务

工作线程启动之后，首先处理 firstTask 任务（特别注意，这个任务是没有入队的），然后从 workQueue 中取出任务处理，队列为空时，超时等待 keepAliveTime ；

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) {  // 获取任务
      w.lock();
      // 总体条件表示线程池停止的时候，需要中断线程，
      // 如果没有停止，则清除中断状态，确保未中断
      if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
         (Thread.interrupted() && runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
        !wt.isInterrupted())
        wt.interrupt();
      try {
        beforeExecute(wt, task); // 回调方法
        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);  // 回调方法
        }
      } finally {
        task = null;
        w.completedTasks++;
        w.unlock();
      }
    }
    completedAbruptly = false;
  } finally {
    processWorkerExit(w, completedAbruptly);  // 退出时清理
  }
}

private Runnable getTask() {
  boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?

  for (;;) {
    int c = ctl.get();
    int rs = runStateOf(c);

    // 此处保证 SHUTDOWN 状态继续处理任务，STOP 状态停止处理
    if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
      decrementWorkerCount();
      return null;
    }
    int wc = workerCountOf(c);
    boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;  // 是否关闭空闲线程

    if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))  // 如果线程大于最大容量，或者允许关闭，且第一次没取到
      && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {            // 返回空，最后由 processWorkerExit 清理
      if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
        return null;
      continue;
    }

    try {
      // 是否超时获取
      Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take();
      if (r != null)
        return r;
      timedOut = true;
    } catch (InterruptedException retry) {
      timedOut = false;
    }
  }
}

4. 停止线程池

public void shutdown() {
  final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
  mainLock.lock();
  try {
    checkShutdownAccess();     // 检查停止权限
    advanceRunState(SHUTDOWN); // 设置线程池状态
    interruptIdleWorkers();    // 设置所有线程中断
    onShutdown();              // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
  } finally {
    mainLock.unlock();
  }
  tryTerminate();              // 继续执行等待队列中的任务，完毕后设置 TERMINATED 状态
}

public List<Runnable> shutdownNow() {
  List<Runnable> tasks;
  final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
  mainLock.lock();
  try {
    checkShutdownAccess();
    advanceRunState(STOP);
    interruptWorkers();
    tasks = drainQueue();   // 清空所有等待队列的任务，并返回
  } finally {
    mainLock.unlock();
  }
  tryTerminate();
  return tasks;
}

可以看到 shutdownNow 只比 shutdown 多了，清空等待队列，但是正在执行的任务还是会继续执行；

四、拒绝策略

之前提到了，提交任务失败的时候，会执行拒绝操作，在 JDk 中为我们提供了四种策略：

• AbortPolicy：直接抛出 RejectedExecutionException 异常，这是默认的拒绝策略；
• CallerRunsPolicy：由调用线程本身运行任务，以减缓提交速度；
• DiscardPolicy：不处理，直接丢弃掉；
• DiscardOldestPolicy：丢弃最老的任务，并执行当前任务；

五、Executors 工厂方法

另外就是根据线程池参数的不同，Executors 为我们提供了4种典型的用法：

SingleThreadExecutor：单线程的线程池，提交任务顺序执行；

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
  return new FinalizableDelegatedExecutorService
    (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

如代码所示，就是最大线程、核心线程都是1，和无界队列组成的线程池，提交任务的时候就会，直接将任务加入队列顺序执行；

FixedThreadPool：固定线程数量线程池：

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

同 SingleThreadExecutor 一样，只是线程数量由用户决定；

CachedThreadPool：动态调节线程池；

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
  return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS,
                                new SynchronousQueue<Runnable>());
}

这里核心线程为0，队列是 SynchronousQueue 容量为1的阻塞队列，而线程数最大，存活60s，所以有任务的时候直接创建新的线程，超时空闲60s；

ScheduledThreadPool：定时任务线程池，功能同 Timer 类似，具体细节后续还会讲到；

总结

• 决定线程池运行逻辑的主要有三个变量，核心线程大小，队列容量，线程池容量
• 最后发现其实 Executors 提供的几种实现，都很典型；但是却容易发生 OOM ，所以最好还是自己手动创建比较好；