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beforeExecuteafterExecute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TimerTimerTask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。



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1 条评论

  1. tosswang@163.com 说道:

    各种赞!!!!!作者牛B!!!

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