Java线程池执行原理分析

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本文将会围绕线程池的生命周期，分析线程池执行任务的过程。

线程池状态

首先认识两个贯穿线程池代码的参数：

runState：线程池运行状态workerCount：工作线程的数量

线程池用一个32位的int来同时保存runState和workerCount，其中高3位是runState，其余29位是workerCount。代码中会反复使用runStateOf和workerCountOf来获取runState和workerCount。

PRivate final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;// 线程池状态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;// ctl操作private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }RUNNING：可接收新任务，可执行等待队列里的任务SHUTDOWN：不可接收新任务，可执行等待队列里的任务STOP：不可接收新任务，不可执行等待队列里的任务，并且尝试终止所有在运行任务TIDYING：所有任务已经终止，执行terminated()TERMINATED：terminated()执行完成
线程池状态默认从RUNNING开始流转，到状态TERMINATED结束，中间不需要经过每一种状态，但不能让状态回退。下面是状态变化可能的路径和变化条件：
图1 线程池状态变化路径
Worker的创建
线程池是由Worker类负责执行任务，Worker继承了AbstractQueuedSynchronizer，引出了Java并发框架的核心AQS。
AbstractQueuedSynchronizer，简称AQS，是Java并发包里一系列同步工具的基础实现，原理是根据状态位来控制线程的入队阻塞、出队唤醒来处理同步。
AQS不会在这里展开讨论，只需要知道Worker包装了Thread，由它去执行任务。
调用execute将会根据线程池的情况创建Worker，可以归纳出下图四种情况：
图2 worker在线程池里的四种可能
public void execute(Runnable command) {    if (command == null)        throw new NullPointerException();    int c = ctl.get();    //1    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {        if (addWorker(command, true))            return;        c = ctl.get();    }    //2    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {        int recheck = ctl.get();        if (! isRunning(recheck) && remove(command))            //3            reject(command);        else if (workerCountOf(recheck) == 0)            //4            addWorker(null, false);    }    //5    else if (!addWorker(command, false))        //6        reject(command);}
标记1对应第一种情况，要留意addWorker传入了core，core=true为corePoolSize，core=false为maximumPoolSize，新增时需要检查workerCount是否超过允许的最大值。
标记2对应第二种情况，检查线程池是否在运行，并且将任务加入等待队列。标记3再检查一次线程池状态，如果线程池忽然处于非运行状态，那就将等待队列刚加的任务删掉，再交给RejectedExecutionHandler处理。标记4发现没有worker，就先补充一个空任务的worker。
标记5对应第三种情况，等待队列不能再添加任务了，调用addWorker添加一个去处理。
标记6对应第四种情况，addWorker的core传入false，返回调用失败，代表workerCount已经超出maximumPoolSize，那就交给RejectedExecutionHandler处理。
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {        //1        retry:        for (;;) {            int c = ctl.get();            int rs = runStateOf(c);            // Check if queue empty only if necessary.            if (rs >= SHUTDOWN &&                ! (rs == SHUTDOWN &&                   firstTask == null &&                   ! workQueue.isEmpty()))                return false;            for (;;) {                int wc = workerCountOf(c);                if (wc >= CAPACITY ||                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))                    return false;                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))                    break retry;                c = ctl.get();  // Re-read ctl                if (runStateOf(c) != rs)                    continue retry;                // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop            }        }        //2        boolean workerStarted = false;        boolean workerAdded = false;        Worker w = null;        try {            w = new Worker(firstTask);            final Thread t = w.thread;            if (t != null) {                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;                mainLock.lock();                try {                    // Recheck while holding lock.                    // Back out on ThreadFactory failure or if                    // shut down before lock acquired.                    int rs = runStateOf(ctl.get());                    if (rs < SHUTDOWN ||                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {                        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable                            throw new IllegalThreadStateException();                        workers.add(w);                        int s = workers.size();                        if (s > largestPoolSize)                            largestPoolSize = s;                        workerAdded = true;                    }                } finally {                    mainLock.unlock();                }                if (workerAdded) {                    t.start();                    workerStarted = true;                }            }        } finally {            if (! workerStarted)                addWorkerFailed(w);        }        return workerStarted;    }
标记1的第一段代码，目的很简单，是为workerCount加一。至于为什么代码写了这么长，是因为线程池的状态在不断变化，并发环境下需要保证变量的同步性。外循环判断线程池状态、任务非空和队列非空，内循环使用CAS机制保证workerCount正确地递增。不了解CAS可以看认识非阻塞的同步机制CAS，后续增减workerCount都会使用CAS。
标记2的第二段代码，就比较简单。创建一个新Worker对象，将Worker添加进workers里（Set集合）。成功添加后，启动worker里的线程。在finally里判断线程是否启动成功，不成功直接调用addWorkerFailed。
private void addWorkerFailed(Worker w) {        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;        mainLock.lock();        try {            if (w != null)                workers.remove(w);            decrementWorkerCount();            tryTerminate();        } finally {            mainLock.unlock();        }    }
addWorkerFailed将减少已经递增的workerCount，并且调用tryTerminate结束线程池。
Worker的执行
Worker(Runnable firstTask) {    setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker    this.firstTask = firstTask;    this.thread = getThreadFactory().newThread(this);}public void run() {    runWorker(this);}
Worker在构造函数里采用ThreadFactory创建Thread，在run方法里调用了runWorker，看来是真正执行任务的地方。
final void runWorker(Worker w) {    Thread wt = Thread.currentThread();    Runnable task = w.firstTask;    w.firstTask = null;    w.unlock(); // allow interrupts    boolean completedAbruptly = true;    try {       //1        while (task != null || (task = getTask()) != null) {            w.lock();           //2            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||                 (Thread.interrupted() &&                  runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&                !wt.isInterrupted())                wt.interrupt();            try {               //3                beforeExecute(wt, task);                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);                }            } finally {                task = null;                 //4                w.completedTasks++;                w.unlock();            }        }        completedAbruptly = false;       //5    } finally {        //6        processWorkerExit(w, completedAbruptly);    }}
标记1进入循环，从getTask获取要执行的任务，直到返回null。这里达到了线程复用的效果，让线程处理多个任务。
标记2是一个比较复杂的判断，保证了线程池在STOP状态下线程是中断的，非STOP状态下线程没有被中断。如果你不了解Java的中断机制，看如何正确结束Java线程这篇。
标记3调用了run方法，真正执行了任务。执行前后提供了beforeExecute和afterExecute两个方法，由子类实现。
标记4里的completedTasks统计worker执行了多少任务，最后累加进completedTaskCount变量，可以调用相应方法返回一些统计信息。
标记5的变量completedAbruptly表示worker是否异常终止，执行到这里代表执行正常，后续的方法需要这个变量。
标记6调用processWorkerExit结束，后面会分析。
接着来看worker从等待队列获取任务的getTask方法：
private Runnable getTask() {    boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?    for (;;) {        int c = ctl.get();        int rs = runStateOf(c);        //1        // Check if queue empty only if necessary.        if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {            decrementWorkerCount();            return null;        }        int wc = workerCountOf(c);        //2        // Are workers subject to culling?        boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;        if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))            && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {            if (compareAndDecrementWorkerCount(c))                return null;            continue;        }       //3        try {            Runnable r = timed ?                workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :                workQueue.take();            if (r != null)                return r;            timedOut = true;        } catch (InterruptedException retry) {            timedOut = false;        }    }}
标记1检查线程池的状态，这里就体现出SHUTDOWN和STOP的区别。如果线程池是SHUTDOWN状态，还会先处理完等待队列的任务；如果是STOP状态，就不再处理等待队列里的任务了。
标记2先看allowCoreThreadTimeOut这个变量，false时worker空闲，也不会结束；true时，如果worker空闲超过keepAliveTime，就会结束。接着是一个很复杂的判断，好难转成文字描述，自己看吧。注意一下wc>maximumPoolSize，出现这种可能是在运行中调用setMaximumPoolSize，还有wc>1，在等待队列非空时，至少保留一个worker。
标记3是从等待队列取任务的逻辑，根据timed分为等待keepAliveTime或者阻塞直到有任务。
最后来看结束worker需要执行的操作：
private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {   //1    if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted        decrementWorkerCount();  //2    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;    mainLock.lock();    try {        completedTaskCount += w.completedTasks;        workers.remove(w);    } finally {        mainLock.unlock();    }   //3    tryTerminate();    int c = ctl.get();    //4    if (runStateLessThan(c, STOP)) {        if (!completedAbruptly) {            int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;            if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())                min = 1;            if (workerCountOf(c) >= min)                return; // replacement not needed        }        addWorker(null, false);    }}
正常情况下，在getTask里就会将workerCount减一。标记1处用变量completedAbruptly判断worker是否异常退出，如果是，需要补充对workerCount的减一。
标记2将worker处理任务的数量累加到总数，并且在集合workers中去除。
标记3尝试终止线程池，后续会研究。
标记4处理线程池还是RUNNING或SHUTDOWN状态时，如果worker是异常结束，那么会直接addWorker。如果allowCoreThreadTimeOut=true，并且等待队列有任务，至少保留一个worker；如果allowCoreThreadTimeOut=false，workerCount不少于corePoolSize。
总结一下worker：线程池启动后，worker在池内创建，包装了提交的Runnable任务并执行，执行完就等待下一个任务，不再需要时就结束。
线程池的关闭
线程池的关闭不是一关了事，worker在池里处于不同状态，必须安排好worker的”后事”，才能真正释放线程池。ThreadPoolExecutor提供两种方法关闭线程池：
shutdown：不能再提交任务，已经提交的任务可继续运行；shutdownNow：不能再提交任务，已经提交但未执行的任务不能运行，在运行的任务可继续运行，但会被中断，返回已经提交但未执行的任务。
public void shutdown() {    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;    mainLock.lock();    try {        checkShutdownaccess();   //1 安全策略机制        advanceRunState(SHUTDOWN);   //2        interruptIdleWorkers();   //3        onShutdown(); //4 空方法，子类实现    } finally {        mainLock.unlock();    }    tryTerminate();   //5}
shutdown将线程池切换到SHUTDOWN状态，并调用interruptIdleWorkers请求中断所有空闲的worker，最后调用tryTerminate尝试结束线程池。
public List<Runnable> shutdownNow() {    List<Runnable> tasks;    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;    mainLock.lock();    try {        checkShutdownAccess();        advanceRunState(STOP);        interruptWorkers();        tasks = drainQueue();  //1    } finally {        mainLock.unlock();    }    tryTerminate();    return tasks;}
shutdownNow和shutdown类似，将线程池切换为STOP状态，中断目标是所有worker。drainQueue会将等待队列里未执行的任务返回。
interruptIdleWorkers和interruptWorkers实现原理都是遍历workers集合，中断条件符合的worker。
上面的代码多次出现调用tryTerminate，这是一个尝试将线程池切换到TERMINATED状态的方法。
final void tryTerminate() {    for (;;) {        int c = ctl.get();        //1        if (isRunning(c) ||            runStateAtLeast(c, TIDYING) ||            (runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty()))            return;        //2        if (workerCountOf(c) != 0) { // Eligible to terminate            interruptIdleWorkers(ONLY_ONE);            return;        }       //3        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;        mainLock.lock();        try {            if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {                try {                    terminated();                } finally {                    ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));                    termination.signalAll();                }                return;            }        } finally {            mainLock.unlock();        }        // else retry on failed CAS    }}
标记1检查线程池状态，下面几种情况，后续操作都没有必要，直接return。
RUNNING（还在运行，不能停）TIDYING或TERMINATED（已经没有在运行的worker）SHUTDOWN并且等待队列非空（执行完才能停）
标记2在worker非空的情况下又调用了interruptIdleWorkers，你可能疑惑在shutdown时已经调用过了，为什么又调用，而且每次只中断一个空闲worker？你需要知道，shutdown时worker可能在执行中，执行完阻塞在队列的take，不知道要结束，所有要补充调用interruptIdleWorkers。每次只中断一个是因为processWorkerExit时，还会执行tryTerminate，自动中断下一个空闲的worker。
标记3是最终的状态切换。线程池会先进入TIDYING状态，再进入TERMINATED状态，中间提供了terminated这个空方法供子类实现。
调用关闭线程池方法后，需要等待线程池切换到TERMINATED状态。awaitTermination检查限定时间内线程池是否进入TERMINATED状态，代码如下：
public boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)    throws InterruptedException {    long nanos = unit.toNanos(timeout);    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;    mainLock.lock();    try {        for (;;) {            if (runStateAtLeast(ctl.get(), TERMINATED))                return true;            if (nanos <= 0)                return false;            nanos = termination.awaitNanos(nanos);        }    } finally {        mainLock.unlock();    }}
后言
以上过了一遍线程池主要的逻辑，总体来看线程池的设计是很清晰的。如有错误或不足，欢迎指出，也欢迎留言交流。今次介绍了线程池运行的生命周期，下篇会研究更细粒度地控制任务的生命周期，也就是submit和Future。
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