面试必会必知：ThreadPoolExecutor 线程池浅析

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作者@陈明

作为Executor框架中最核心的类，ThreadPoolExecutor代表着鼎鼎大名的线程池，它给了我们足够的理由来弄清楚它。

下面我们就通过源码来一步一步弄清楚它。

内部状态

线程有五种状态：新建，就绪，运行，阻塞，死亡，线程池同样有五种状态：Running, SHUTDOWN, STOP, TIDYING, TERMINATED。

变量ctl定义为AtomicInteger ，其功能非常强大，记录了“线程池中的任务数量”和“线程池的状态”两个信息。共32位，其中高3位表示"线程池状态"，低29位表示"线程池中的任务数量"。

RUNNING：处于RUNNING状态的线程池能够接受新任务，以及对新添加的任务进行处理。

SHUTDOWN：处于SHUTDOWN状态的线程池不可以接受新任务，但是可以对已添加的任务进行处理。

STOP：处于STOP状态的线程池不接收新任务，不处理已添加的任务，并且会中断正在处理的任务。

TIDYING：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。

TERMINATED：线程池彻底终止的状态。

各个状态的转换如下：

创建线程池

我们可以通过ThreadPoolExecutor构造函数来创建一个线程池：

共有七个参数，每个参数含义如下：

corePoolSize

线程池中核心线程的数量。当提交一个任务时，线程池会新建一个线程来执行任务，直到当前线程数等于corePoolSize。如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。

maximumPoolSize

线程池中允许的最大线程数。线程池的阻塞队列满了之后，如果还有任务提交，如果当前的线程数小于maximumPoolSize，则会新建线程来执行任务。注意，如果使用的是无界队列，该参数也就没有什么效果了。

keepAliveTime

线程空闲的时间。线程的创建和销毁是需要代价的。线程执行完任务后不会立即销毁，而是继续存活一段时间：keepAliveTime。默认情况下，该参数只有在线程数大于corePoolSize时才会生效。

unit

keepAliveTime的单位。TimeUnit

workQueue

用来保存等待执行的任务的阻塞队列，等待的任务必须实现Runnable接口。我们可以选择如下几种：

• ArrayBlockingQueue：基于数组结构的有界阻塞队列，FIFO。【死磕Java并发】----J.U.C之阻塞队列：ArrayBlockingQueue
• LinkedBlockingQueue：基于链表结构的有界阻塞队列，FIFO。
• SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列，每个插入操作都必须等待一个移出操作，反之亦然。【死磕Java并发】----J.U.C之阻塞队列：SynchronousQueue
• PriorityBlockingQueue：具有优先界别的阻塞队列。【死磕Java并发】----J.U.C之阻塞队列：PriorityBlockingQueue

threadFactory

用于设置创建线程的工厂。该对象可以通过Executors.defaultThreadFactory()，如下：

返回的是DefaultThreadFactory对象，源码如下：

ThreadFactory的左右就是提供创建线程的功能的线程工厂。他是通过newThread()方法提供创建线程的功能，newThread()方法创建的线程都是“非守护线程”而且“线程优先级都是Thread.NORM_PRIORITY”。

handler

RejectedExecutionHandler，线程池的拒绝策略。所谓拒绝策略，是指将任务添加到线程池中时，线程池拒绝该任务所采取的相应策略。当向线程池中提交任务时，如果此时线程池中的线程已经饱和了，而且阻塞队列也已经满了，则线程池会选择一种拒绝策略来处理该任务。

线程池提供了四种拒绝策略：

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；

当然我们也可以实现自己的拒绝策略，例如记录日志等等，实现RejectedExecutionHandler接口即可。

线程池

Executor框架提供了三种线程池，他们都可以通过工具类Executors来创建。

FixedThreadPool

FixedThreadPool，可重用固定线程数的线程池，其定义如下：

corePoolSize 和 maximumPoolSize都设置为创建FixedThreadPool时指定的参数nThreads，意味着当线程池满时且阻塞队列也已经满时，如果继续提交任务，则会直接走拒绝策略，该线程池不会再新建线程来执行任务，而是直接走拒绝策略。FixedThreadPool使用的是默认的拒绝策略，即AbortPolicy，则直接抛出异常。

keepAliveTime设置为0L，表示空闲的线程会立刻终止。

workQueue则是使用LinkedBlockingQueue，但是没有设置范围，那么则是最大值（Integer.MAX_VALUE），这基本就相当于一个无界队列了。使用该“无界队列”则会带来哪些影响呢？当线程池中的线程数量等于corePoolSize 时，如果继续提交任务，该任务会被添加到阻塞队列workQueue中，当阻塞队列也满了之后，则线程池会新建线程执行任务直到maximumPoolSize。由于FixedThreadPool使用的是“无界队列”LinkedBlockingQueue，那么maximumPoolSize参数无效，同时指定的拒绝策略AbortPolicy也将无效。而且该线程池也不会拒绝提交的任务，如果客户端提交任务的速度快于任务的执行，那么keepAliveTime也是一个无效参数。

其运行图如下（参考《Java并发编程的艺术》）：

SingleThreadExecutor

SingleThreadExecutor是使用单个worker线程的Executor，定义如下：

作为单一worker线程的线程池，SingleThreadExecutor把corePool和maximumPoolSize均被设置为1，和FixedThreadPool一样使用的是无界队列LinkedBlockingQueue,所以带来的影响和FixedThreadPool一样。

CachedThreadPool

CachedThreadPool是一个会根据需要创建新线程的线程池 ，他定义如下：

CachedThreadPool的corePool为0，maximumPoolSize为Integer.MAXVALUE，这就意味着所有的任务一提交就会加入到阻塞队列中。keepAliveTime这是为60L，unit设置为TimeUnit.SECONDS，意味着空闲线程等待新任务的最长时间为60秒，空闲线程超过60秒后将会被终止。阻塞队列采用的SynchronousQueue，而我们在【死磕Java并发】----J.U.C之阻塞队列：SynchronousQueue中了解到SynchronousQueue是一个没有元素的阻塞队列，加上corePool = 0 ，maximumPoolSize = Integer.MAXVALUE，这样就会存在一个问题，如果主线程提交任务的速度远远大于CachedThreadPool的处理速度，则CachedThreadPool会不断地创建新线程来执行任务，这样有可能会导致系统耗尽CPU和内存资源，所以在使用该线程池是，一定要注意控制并发的任务数，否则创建大量的线程可能导致严重的性能问题。

任务提交

线程池根据业务不同的需求提供了两种方式提交任务：Executor.execute()、ExecutorService.submit()。其中ExecutorService.submit()可以获取该任务执行的Future。 我们以Executor.execute()为例，来看看线程池的任务提交经历了那些过程。

定义：

ThreadPoolExecutor提供实现：

执行流程如下：

1. 如果线程池当前线程数小于corePoolSize，则调用addWorker创建新线程执行任务，成功返回true，失败执行步骤2。
2. 如果线程池处于RUNNING状态，则尝试加入阻塞队列，如果加入阻塞队列成功，则尝试进行Double Check，如果加入失败，则执行步骤3。
3. 如果线程池不是RUNNING状态或者加入阻塞队列失败，则尝试创建新线程直到maxPoolSize，如果失败，则调用reject()方法运行相应的拒绝策略。

在步骤2中如果加入阻塞队列成功了，则会进行一个Double Check的过程。Double Check过程的主要目的是判断加入到阻塞队里中的线程是否可以被执行。如果线程池不是RUNNING状态，则调用remove()方法从阻塞队列中删除该任务，然后调用reject()方法处理任务。否则需要确保还有线程执行。

addWorker 当线程中的当前线程数小于corePoolSize，则调用addWorker()创建新线程执行任务，当前线程数则是根据ctl变量来获取的，调用workerCountOf(ctl)获取低29位即可：

addWorker(Runnable firstTask, boolean core)方法用于创建线程执行任务，源码如下：

1. 判断当前线程是否可以添加任务，如果可以则进行下一步，否则return false；
2. rs >= SHUTDOWN ，表示当前线程处于SHUTDOWN ，STOP、TIDYING、TERMINATED状态
3. rs == SHUTDOWN , firstTask != null时不允许添加线程，因为线程处于SHUTDOWN 状态，不允许添加任务
4. rs == SHUTDOWN , firstTask == null，但workQueue.isEmpty() == true，不允许添加线程，因为firstTask == null是为了添加一个没有任务的线程然后再从workQueue中获取任务的，如果workQueue == null，则说明添加的任务没有任何意义。
5. 内嵌循环，通过CAS worker + 1
6. 获取主锁mailLock，如果线程池处于RUNNING状态获取处于SHUTDOWN状态且 firstTask == null，则将任务添加到workers Queue中，然后释放主锁mainLock，然后启动线程，然后return true，如果中途失败导致workerStarted= false，则调用addWorkerFailed()方法进行处理。

在这里需要好好理论addWorker中的参数，在execute()方法中，有三处调用了该方法：

• 第一次： ​​workerCountOf(c)<corePoolSize==>addWorker(command,true)​​，这个很好理解，当然线程池的线程数量小于 corePoolSize ，则新建线程执行任务即可，在执行过程core == true，内部与corePoolSize比较即可。
• 第二次：加入阻塞队列进行Double Check时， ​​elseif(workerCountOf(recheck)==0)==>addWorker(null,false)​​。如果线程池中的线程==0，按照道理应该该任务应该新建线程执行任务，但是由于已经该任务已经添加到了阻塞队列，那么就在线程池中新建一个空线程，然后从阻塞队列中取线程即可。
• 第三次：线程池不是RUNNING状态或者加入阻塞队列失败： ​​elseif(!addWorker(command,false))​​，这里core == fase，则意味着是与maximumPoolSize比较。

在新建线程执行任务时，将讲Runnable包装成一个Worker，Woker为ThreadPoolExecutor的内部类

Woker内部类

Woker的源码如下：

从Worker的源码中我们可以看到Woker继承AQS，实现Runnable接口，所以可以认为Worker既是一个可以执行的任务，也可以达到获取锁释放锁的效果。这里继承AQS主要是为了方便线程的中断处理。这里注意两个地方：构造函数、run()。构造函数主要是做三件事：1.设置同步状态state为-1，同步状态大于0表示就已经获取了锁，2.设置将当前任务task设置为firstTask，3.利用Worker本身对象this和ThreadFactory创建线程对象。

当线程thread启动（调用start()方法）时，其实就是执行Worker的run()方法，内部调用runWorker()。

runWorker

运行流程

1. 根据worker获取要执行的任务task，然后调用unlock()方法释放锁，这里释放锁的主要目的在于中断，因为在new Worker时，设置的state为-1，调用unlock()方法可以将state设置为0，这里主要原因就在于interruptWorkers()方法只有在state >= 0时才会执行；
2. 通过getTask()获取执行的任务，调用task.run()执行，当然在执行之前会调用worker.lock()上锁，执行之后调用worker.unlock()放锁；
3. 在任务执行前后，可以根据业务场景自定义beforeExecute() 和 afterExecute()方法，则两个方法在ThreadPoolExecutor中是空实现；
4. 如果线程执行完成，则会调用getTask()方法从阻塞队列中获取新任务，如果阻塞队列为空，则根据是否超时来判断是否需要阻塞；
5. task == null或者抛出异常（beforeExecute()、task.run()、afterExecute()均有可能）导致worker线程终止，则调用processWorkerExit()方法处理worker退出流程。

getTask()

timed == true，调用poll()方法，如果在keepAliveTime时间内还没有获取task的话，则返回null，继续循环。timed == false，则调用take()方法，该方法为一个阻塞方法，没有任务时会一直阻塞挂起，直到有任务加入时对该线程唤醒，返回任务。

在runWorker()方法中，无论最终结果如何，都会执行processWorkerExit()方法对worker进行退出处理。

processWorkerExit()

首先completedAbruptly的值来判断是否需要对线程数-1处理，如果completedAbruptly == true，说明在任务运行过程中出现了异常，那么需要进行减1处理，否则不需要，因为减1处理在getTask()方法中处理了。然后从HashSet中移出该worker，过程需要获取mainlock。然后调用tryTerminate()方法处理，该方法是对最后一个线程退出做终止线程池动作。如果线程池没有终止，那么线程池需要保持一定数量的线程，则通过addWorker(null,false)新增一个空的线程。

addWorkerFailed()

在addWorker()方法中，如果线程t==null，或者在add过程出现异常，会导致workerStarted == false，那么在最后会调用addWorkerFailed()方法：

整个逻辑显得比较简单。

tryTerminate()

当线程池涉及到要移除worker时候都会调用tryTerminate()，该方法主要用于判断线程池中的线程是否已经全部移除了，如果是的话则关闭线程池。

在关闭线程池的过程中，如果线程池处于STOP状态或者处于SHUDOWN状态且阻塞队列为null，则线程池会调用interruptIdleWorkers()方法中断所有线程，注意ONLY_ONE== true，表示仅中断一个线程。

interruptIdleWorkers

onlyOne==true仅终止一个线程，否则终止所有线程。

线程终止

线程池ThreadPoolExecutor提供了shutdown()和shutDownNow()用于关闭线程池。

shutdown()：按过去执行已提交任务的顺序发起一个有序的关闭，但是不接受新任务。

shutdownNow() :尝试停止所有的活动执行任务、暂停等待任务的处理，并返回等待执行的任务列表。

shutdown

shutdownNow

与shutdown不同，shutdownNow会调用interruptWorkers()方法中断所有线程。

同时会调用drainQueue()方法返回等待执行到任务列表。

（全文完）

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