Java线程池的执行原理分析

本文将分析线程池程池生命周期内执行任务的过程.

线程池状态

首先识别通过线程池代码运行的两个参数:

runState: 线程池的运行状态

workerCount: 工作线程数

线程池使用32位int来保存runState和workerCount. 高3位是runState，其余29位是workerCount. 该代码将重复使用runStateOf和workerCountOf来获取runState和workerCount.

运行中: 可以接收新任务并可以执行等待队列中的任务

关闭: 无法接收新任务，并且可以执行等待队列中的任务

停止: 无法接收新任务，无法在等待队列中执行任务，并尝试终止所有正在运行的任务

整理: 所有任务已终止，执行终止（）

终止: 终止（）已完成

默认情况下，线程池的状态开始从RUNNING流动到TERMINATED状态的末尾. 不需要遍历中间的每个状态，但是无法返回该状态. 以下是状态更改的可能路径和条件:

图1线程池状态更改路径

创造工人

线程池负责根据Worker类执行任务. Worker继承了AbstractQueuedSynchronizer，这导致Java并发框架的核心AQS.

AbstractQueuedSynchronizer，称为AQS，是Java并发包中一系列同步工具的基本实现. 原理是根据状态位控制线程的入队阻塞和出队，以处理同步.

AQS不会在这里开始讨论，只需要知道Worker包装了Thread，它将执行任务即可.

调用execute将根据线程池的情况创建一个工作程序，可以将其总结为以下四种情况:

图2线程池中工作者的四种可能性

标记1对应第一种情况. 需要注意的是，addWorker传递了core，core = true是corePoolSize，core = false是maximumPoolSize，它需要检查workerCount是否超过添加时允许的最大值.

标记2对应于第二种情况，检查线程池是否正在运行，并将任务添加到等待队列中. 标记3再次检查线程池的状态. 如果线程池突然处于非运行状态，请删除刚刚添加到等待队列中的任务，并将其移交给RejectedExecutionHandler. 标记4发现没有工作程序，然后首先添加一个空任务工作程序.

标记5对应于第三种情况，正在等待的队列无法再添加任务，请调用addWorker以添加一个来处理.

标记6对应于第四种情况. addWorker的核心传入false，并且调用失败，表明workerCount已超出maximumPoolSize，然后由RejectedExecutionHandler处理.

标记1的第一段代码，目的很简单，就是向workerCount添加一个. 至于为什么这么长时间编写代码，是因为线程池的状态不断变化，并且需要在并发环境中保证变量的同步. 外循环确定线程池状态，任务不为空，队列也不为空. 内部循环使用CAS机制来确保workerCount正确增加. 如果您不了解CAS，则可以看到无阻塞同步机制CAS. 随后增加和减少workerCount将使用CAS.

标签2的第二段代码相对简单. 创建一个新的Worker对象，并将Worker添加到worker中（Set集合）. 成功添加后，在worker中启动线程. 最后，确定线程是否成功启动，如果失败，则直接调用addWorkerFailed.

addWorkerFailed将减少已增加的workerCount，并调用tryTerminate结束线程池.

工作执行力

Worker使用ThreadFactory在构造函数中创建Thread，并在run方法中调用runWorker，这似乎是实际执行任务的地方.

标签1进入循环，并从getTask获取要执行的任务，直到它返回null. 在这里达到了线程重用的效果，使线程可以处理多个任务.

标记2是更复杂的判断，它确保线程池在STOP状态下被中断，并且线程在非STOP状态下不被中断.

标记3调用run方法，并且该任务实际上已执行. 在执行前后提供了两种方法beforeExecute和afterExecute，它们由子类实现.

标记4中的completedTasks计算工作人员已执行的任务数量，最后将其添加到completedTaskCount变量中. 您可以调用相应的方法以返回一些统计信息.

标签5的变量CompleteAbruptly指示工人是否异常终止. 在这里执行意味着正常执行. 后续方法需要此变量.

标记6在调用processWorkerExit时结束，稍后将进行分析.

让我们看一下用于工作者从等待队列中获取任务的getTask方法:

标记1检查线程池的状态java线程池执行原理，这是SHUTDOWN和STOP之间的区别. 如果线程池处于SHUTDOWN状态，则将首先处理等待队列中的任务；否则，线程将处于等待状态. 如果它处于STOP状态，则将不再处理等待队列中的任务.

标记2首先查看变量allowCoreThreadTimeOut. 如果为false，则该工人处于空闲状态并且不会结束；如果为true，则工作线程的空闲时间大于keepAliveTime时，它将结束. 这之后是一个非常复杂的判断，因此很难将其转换为文本描述. 你自己看. 请注意，wc> maximumPoolSize，这可能是由于在运行时调用setMaximumPoolSize和wc> 1引起的. 当等待队列不为空时，至少保留一个工作线程.

标记3是从等待队列中提取任务的逻辑. 根据时间，它分为等待keepAliveTime或阻塞直到有任务.

最后看一下结束工作者所需执行的操作:

在正常情况下java线程池执行原理，getTask中的workerCount将减少一. Mark 1使用变量completedAbruptly来确定工人是否异常退出. 如果是这样，则需要在workerCount上添加一个减号.

标签2将工作人员处理任务的数量添加到总数中，并将其从工作人员集中删除.

标签3尝试终止线程池，稍后将对此进行研究.

当标记4处理线程池仍处于RUNNING或SHUTDOWN状态时，如果worker异常结束，它将直接添加worker. 如果allowCoreThreadTimeOut = true并且等待队列中有任务，请至少保留一个工作线程；如果allowCoreThreadTimeOut = false，则workerCount不小于corePoolSize.

摘要worker: 线程池启动后，将在该线程中创建该worker，包装提交的Runnable任务并执行它，在执行后等待下一个任务，并在不再需要它时结束.

关闭线程池

关闭线程池不是问题. 工人在泳池中处于不同的状态. 在实际释放线程池之前，必须安排工作程序的“未来”. ThreadPoolExecutor提供了两种方法来关闭线程池:

关机: 无法再提交任何任务，提交的任务可以继续运行；

shutdownNow: 无法提交更多任务. 已提交但尚未执行的任务无法运行. 正在运行的任务可以继续运行，但是会被中断并返回已提交但尚未执行的任务.

shutdown将线程池切换到SHUTDOWN状态，并调用interruptIdleWorkers中断所有空闲的worker，最后调用tryTerminate尝试结束线程池.

ShutdownNow与关闭类似，线程池切换到STOP状态，并且中断目标是所有工作程序. 排水队列将在等待队列中返回未执行的任务.

interruptIdleWorkers和interruptWorkers的实现原理都是遍历工作人员集合并满足中断条件的工作人员.

上面的代码似乎多次调用tryTerminate. 这是一种尝试将线程池切换到TERMINATED状态的方法.

标签1检查线程池的状态. 在以下情况下，不需要后续操作，只需直接返回即可.

正在运行（仍在运行，无法停止）

正在整理或终止（没有工作人员在运行）

关闭并等待队列为非空（执行后停止）

当工作线程不为空​​时，标记2调用interruptIdleWorkers. 您可能想知道为什么在关机期间调用它. 为什么再次调用它，一次只中断一个空闲的工作程序？您需要知道，当工作进程关闭时，该工作进程可能正在执行队列中阻塞的获取操作. 如果您不知道要结束，则必须添加interruptIdleWorkers. 每次只有一个因processWorkerExit而中断时，tryTerminate也将被执行以自动中断下一个空闲工作器.

标记3是最终状态开关. 线程池将首先进入TIDYING状态，然后进入TERMINATED状态. 终止的空方法提供给子类实现.

在调用关闭线程池方法之后，您需要等待线程池切换到TERMINATED状态. awaitTermination检查线程池是否在限定时间内进入TERMINATED状态，代码如下:

后记

已经审查了线程池的主要逻辑，并且线程池的总体设计非常清晰. 如果有错误或不足，欢迎您指出，并欢迎您留言. 这次介绍了线程池的生命周期. 在下一篇文章中，我们将研究精细控制任务的生命周期，即提交和将来.

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