线程池原理讲解——ThreadPoolExecutor

【这是前几天的存货，留着没发表，今天又复习一遍，润化了部分内容，继续干】

说线程池前，先简单回顾一下线程的状态吧：

1、线程状态转换

线程的五种状态，及其转换关系：

2、线程创建方式

三种：两个接口一个类

两个接口：Runnable实现run(), callable实现call()

一个类：Thread实现run()

《阿里巴巴Java手册》中规定：

接下来进入正题：

3、线程池ThreadPoolExecutor实现原理

3.1、ThreadPoolExecutor中定义了几个线程池状态常量。

// runState is stored in the high-order bits
    private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
    private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
    private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
    private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
    private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;

• RUNNING：是运行状态，线程池可以接收新任务；
• SHUTDOWN：是在调用shutdown()方法以后处在的状态。表示不再接收新任务，但队列中的任务可以执行完毕；
• STOP：是在调用shutdownNow()方法以后的状态。不再接收新任务，中断正在执行的任务，抛弃队列中的任务；
• TIDYING：表示所有任务都执行完毕；
• TERMINATED：为中止状态，调用terminated()方法后，尝试更新为此状态；

3.2、 构造方法

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) {
    }

• corePoolSize是线程池的核心线程数
• maximumPoolSize是线程池允许的最大线程数
• keepAliveTime为线程空闲时的存活时间
• unit是keepAliveTime的单位
• workQueue是用来保存等待被执行的线程的队列
• threadFactory，线程工厂，通常使用默认工厂，定义了线程名称生成规则。
• handler是当最大线程数和队列都满了以后，线程池的处理策略

3.3、Executors工厂类

JDK提供了Executors工厂类。这里面有几种实例化线程池的方法：

• CachedThreadPool()：可缓存线程池，一个任务创建一个线程，最大线程数为Integer.MAX_VALUE，所以使用时要控制好并发数量，否则创建过多的线程会占用大量资源；
• FixedThreadPool()：指定数线程池，所有任务只能使用数量固定大小的线程；
• SingleThreadExecutor()：单一数线程池，即相当于大小为1的FixedThreadPool()，可保证提交任务的顺序执行；
• ScheduleThreadPool()：周期性线程池，可固定时间执行，也可延时执行，最大线程数为Integer.MAX_VALUE，。

上述虽然很方便，但是！

但是《阿里巴巴Java手册》又说了：在开发中创建线程池时，最好不要使用Executor类中的初始化方法来创建，而是使用ThreadPoolExecutor类中的初始化来创建，这样的好处是能够让写的同学更明确线程池的运行规则，从而避免资源耗尽的风险。

而使用Executor返回的线程池对象的弊端如下：

1）FixedThreadPool 和 SingleThreadPool：允许的请求队列长度为Integer.MAX_VALUE，可能会堆积大量的请求，从而导致OOM；

2）CachedThreadPool 和ScheduleThreadPool：允许的创建线程数量为Integer.MAX_VALUE，可能会创建大量的线程，从而导致OOM。

3.4、ThreadPoolExecutor执行任务的方法【最重要，也是线程池的核心原理】

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);
    }

代码看不懂不要紧，一个例子附上来：

假如我手里有500W RMB(哈哈哈，想暴富想疯了)，俗话说“富不过三代”，心里想着不能座山吃空啊，还得好好想想经营之道来用钱生钱。

由于本人对吃的，对干饭比较感兴趣，于是乎，就准备开一个饭店。取名为“池饭的店”。我的饭店还有个特色就是一对一服务，一个厨子服务一桌顾客噢，哇好高级。

开饭店得有厨子对吧，那好，我斥“巨”资请来了5位大厨，,都烧得一手红烧肉（哈哈哈，吃肉肉也算特色）。

开业以后生意良好，但我巡逻发现好多顾客更喜欢吃辣的，为了赚更多钱，于是我又一狠心请了5位川菜大厨。

一段时间后，饭店生意越来愈好，顾客也越来越多。有厨子说得再加几个厨子才行，但是作为老板，我要赚钱啊，得控制成本（哈哈哈，资本的世界），我发现不能再招厨子了。因为光这10位常用厨子的开支都已经快占了收入的一半了。那厨子抱怨顾客多，忙不过来怎么办呢？哈哈哈，我说：“顾客多，那就让顾客排队等着，谁让你们几位大厨做的饭菜香呢（哈哈哈，霸气的同时也要拍一下大厨的马屁，得让他们舒舒服服地听我的话）”。

于是，当顾客多了后，没有空闲的厨子进行一对一服务了，多的顾客就排号等着。等哪位顾客吃完了，厨子服务空闲了，就叫下一桌。好办法，果然平时生意井然有序，厨子不慌不忙也还算可以。

但是呢？我巡逻又发现，周一到周四还可以，但是一到周末，饭店周围的大佬们都休息，但是又懒得做饭，就全部都涌来到我的饭店了，毕竟服务周到嘛。这时候有些顾客就不满意了，就抱怨人太多，等一次都要一个小时以上，不划算。于是，为了挽留住这些客源，我每到周末就从其他地方雇来10位临时厨子，过了周末再把他们辞了（不要怪我狠心，都是出来挣票票的）。这样周末就有了20位厨子，但平时周一周五还是原来10个厨子，毕竟不养闲人嘛。哈哈哈，好办法。

虽然这样有所缓解，大家周末排队的时间从1h减少为0.5h，但是有时候还是会顾客饱满，没办法啊，生意太好了，哈哈哈。那怎么办呢？我的饭店空间就这么大，不可能无限增加厨子啊，那好吧，为了不让厨子抱怨，不让厨子累着，那我只能忍痛割爱，残忍地将部分顾客拒之门外，同时赔送点小礼品，代金券。

哈哈哈，后来想了想，既然客源这么多，那为了赚更多票票，我就开分店吧，于是我带领我的员工走上了人生巅峰！

成功后，有人开始请我去讲解成功之道，我想了想，画了这个图：

哈哈哈，如果你了解了我这个开饭店的“成功之道”，那么线程池你也就理解了。如下：

好了，为了让大家更理解透彻，我给代码加上注释：

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    //获取clt，clt记录着线程池状态和运行线程数。
    int c = ctl.get();
    //运行线程数小于核心线程数时，创建线程放入线程池中，并且运行当前任务。
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true))
            return;
        //创建线程失败，重新获取clt。
        c = ctl.get();
    }
    //线程池是运行状态并且运行线程大于核心线程数时，把任务放入队列中。
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        int recheck = ctl.get();
        //重新检查线程池不是运行状态时，
        //把任务移除队列，并通过拒绝策略对该任务进行处理。
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
        //当前运行线程数为0时，创建线程加入线程池中。
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    //运行线程大于核心线程数时并且队列已满时，
    //创建线程放入线程池中，并且运行当前任务。
    else if (!addWorker(command, false))
        //运行线程大于最大线程数时，失败则拒绝该任务
        reject(command);
}

里面多次调用的addWorker()方法如下：

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
    retry:
    for (;;) {
        //获取clt，clt记录着线程池状态和运行线程数。
        int c = ctl.get();
        //获取线程池的运行状态。
        int rs = runStateOf(c);

        //线程池处于关闭状态，或者当前任务为null
        //或者队列不为空，则直接返回失败。
        if (rs >= SHUTDOWN &&
            ! (rs == SHUTDOWN &&
               firstTask == null &&
               ! workQueue.isEmpty()))
            return false;

        for (;;) {
            //获取线程池中的线程数
            int wc = workerCountOf(c);
            //线程数超过CAPACITY，则返回false；
            //这里的core是addWorker方法的第二个参数，
            //如果为true则根据核心线程数进行比较，
            //如果为false则根据最大线程数进行比较。
            if (wc >= CAPACITY ||
                wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                return false;
            //尝试增加线程数，如果成功，则跳出第一个for循环
            if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                break retry;
            //如果增加线程数失败，则重新获取ctl
            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;
        }
    }

    boolean workerStarted = false;
    boolean workerAdded = false;
    Worker w = null;
    try {
        //根据当前任务来创建Worker对象
        w = new Worker(firstTask);
        final Thread t = w.thread;
        if (t != null) {
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
                //获得锁以后，重新检查线程池状态
                int rs = runStateOf(ctl.get());

                if (rs < SHUTDOWN ||
                    (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                    if (t.isAlive())
                        throw new IllegalThreadStateException();
                    //把刚刚创建的线程加入到线程池中
                    workers.add(w);
                    int s = workers.size();
                    //记录线程池中出现过的最大线程数量
                    if (s > largestPoolSize)
                        largestPoolSize = s;
                    workerAdded = true;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
            if (workerAdded) {
                //启动线程，开始运行任务
                t.start();
                workerStarted = true;
            }
        }
    } finally {
        if (! workerStarted)
            addWorkerFailed(w);
    }
    return workerStarted;
}

各位看官，理解否？

Over.....

参考：

1、给女朋友讲 : Java线程池的内部原理

2、线程池ThreadPoolExecutor实现原理