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java高并发ThreadPoolExecutor类解析线程池执行流程
2022-09-28 09:53:34 其他编程语言
简介ThreadPoolExecutor是Java线程池中最核心的类之一,它能够保证线程池按照正常的业务逻辑执行任务,并通过原子方式更新线程池每个阶段的状态...
ThreadPoolExecutor是Java线程池中最核心的类之一,它能够保证线程池按照正常的业务逻辑执行任务,并通过原子方式更新线程池每个阶段的状态。
今天,我们通过ThreadPoolExecutor类的源码深度解析线程池执行任务的核心流程,小伙伴们最好是打开IDEA,按照冰河说的步骤,调试下ThreadPoolExecutor类的源码,这样会理解的更加深刻,好了,开始今天的主题。
核心逻辑概述
ThreadPoolExecutor是Java线程池中最核心的类之一,它能够保证线程池按照正常的业务逻辑执行任务,并通过原子方式更新线程池每个阶段的状态。
ThreadPoolExecutor类中存在一个workers工作线程集合,用户可以向线程池中添加需要执行的任务,workers集合中的工作线程可以直接执行任务,或者从任务队列中获取任务后执行。ThreadPoolExecutor类中提供了整个线程池从创建到执行任务,再到消亡的整个流程方法。本文,就结合ThreadPoolExecutor类的源码深度分析线程池执行任务的整体流程。
在ThreadPoolExecutor类中,线程池的逻辑主要体现在execute(Runnable)方法,addWorker(Runnable, boolean)方法,addWorkerFailed(Worker)方法和拒绝策略上,接下来,我们就深入分析这几个核心方法。
execute(Runnable)方法
execute(Runnable)方法的作用是提交Runnable类型的任务到线程池中。我们先看下execute(Runnable)方法的源码,如下所示。
- public void execute(Runnable command) {
- //如果提交的任务为空,则抛出空指针异常
- if (command == null)
- throw new NullPointerException();
- //获取线程池的状态和线程池中线程的数量
- int c = ctl.get();
- //线程池中的线程数量小于corePoolSize的值
- if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
- //重新开启线程执行任务
- if (addWorker(command, true))
- return;
- c = ctl.get();
- }
- //如果线程池处于RUNNING状态,则将任务添加到阻塞队列中
- if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
- //再次获取线程池的状态和线程池中线程的数量,用于二次检查
- int recheck = ctl.get();
- //如果线程池没有未处于RUNNING状态,从队列中删除任务
- if (! isRunning(recheck) && remove(command))
- //执行拒绝策略
- reject(command);
- //如果线程池为空,则向线程池中添加一个线程
- else if (workerCountOf(recheck) == 0)
- addWorker(null, false);
- }
- //任务队列已满,则新增worker线程,如果新增线程失败,则执行拒绝策略
- else if (!addWorker(command, false))
- reject(command);
- }
整个任务的执行流程,我们可以简化成下图所示。
接下来,我们拆解execute(Runnable)方法,具体分析execute(Runnable)方法的执行逻辑。
(1)线程池中的线程数是否小于corePoolSize核心线程数,如果小于corePoolSize核心线程数,则向workers工作线程集合中添加一个核心线程执行任务。代码如下所示。
- //线程池中的线程数量小于corePoolSize的值
- if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
- //重新开启线程执行任务
- if (addWorker(command, true))
- return;
- c = ctl.get();
- }
(2)如果线程池中的线程数量大于corePoolSize核心线程数,则判断当前线程池是否处于RUNNING状态,如果处于RUNNING状态,则添加任务到待执行的任务队列中。注意:这里向任务队列添加任务时,需要判断线程池是否处于RUNNING状态,只有线程池处于RUNNING状态时,才能向任务队列添加新任务。否则,会执行拒绝策略。代码如下所示。
- if (isRunning(c) && workQueue.offer(command))
(3)向任务队列中添加任务成功,由于其他线程可能会修改线程池的状态,所以这里需要对线程池进行二次检查,如果当前线程池的状态不再是RUNNING状态,则需要将添加的任务从任务队列中移除,执行后续的拒绝策略。如果当前线程池仍然处于RUNNING状态,则判断线程池是否为空,如果线程池中不存在任何线程,则新建一个线程添加到线程池中,如下所示。
- //再次获取线程池的状态和线程池中线程的数量,用于二次检查
- int recheck = ctl.get();
- //如果线程池没有未处于RUNNING状态,从队列中删除任务
- if (! isRunning(recheck) && remove(command))
- //执行拒绝策略
- reject(command);
- //如果线程池为空,则向线程池中添加一个线程
- else if (workerCountOf(recheck) == 0)
- addWorker(null, false);
(4)如果在步骤(3)中向任务队列中添加任务失败,则尝试开启新的线程执行任务。此时,如果线程池中的线程数量已经大于线程池中的最大线程数maximumPoolSize,则不能再启动新线程。此时,表示线程池中的任务队列已满,并且线程池中的线程已满,需要执行拒绝策略,代码如下所示。
- //任务队列已满,则新增worker线程,如果新增线程失败,则执行拒绝策略
- else if (!addWorker(command, false))
- reject(command);
这里,我们将execute(Runnable)方法拆解,结合流程图来理解线程池中任务的执行流程就比较简单了。可以这么说,execute(Runnable)方法的逻辑基本上就是一般线程池的执行逻辑,理解了execute(Runnable)方法,就基本理解了线程池的执行逻辑。
注意:有关ScheduledThreadPoolExecutor类和ForkJoinPool类执行线程池的逻辑,在【高并发专题】系列文章中的后文中会详细说明,理解了这些类的执行逻辑,就基本全面掌握了线程池的执行流程。
在分析execute(Runnable)方法的源码时,我们发现execute(Runnable)方法中多处调用了addWorker(Runnable, boolean)方法,接下来,我们就一起分析下addWorker(Runnable, boolean)方法的逻辑。
addWorker(Runnable, boolean)方法
总体上,addWorker(Runnable, boolean)方法可以分为三部分,第一部分是使用CAS安全的向线程池中添加工作线程;第二部分是创建新的工作线程;第三部分则是将任务通过安全的并发方式添加到workers中,并启动工作线程执行任务。
接下来,我们看下addWorker(Runnable, boolean)方法的源码,如下所示。
- private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
- //标记重试的标识
- retry:
- for (;;) {
- int c = ctl.get();
- int rs = runStateOf(c);
- // 检查队列是否在某些特定的条件下为空
- if (rs >= SHUTDOWN &&
- ! (rs == SHUTDOWN &&
- firstTask == null &&
- ! workQueue.isEmpty()))
- return false;
- //下面循环的主要作用为通过CAS方式增加线程的个数
- for (;;) {
- //获取线程池中的线程数量
- int wc = workerCountOf(c);
- //如果线程池中的线程数量超出限制,直接返回false
- if (wc >= CAPACITY ||
- wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
- return false;
- //通过CAS方式向线程池新增线程数量
- if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
- //通过CAS方式保证只有一个线程执行成功,跳出最外层循环
- break retry;
- //重新获取ctl的值
- c = ctl.get();
- //如果CAS操作失败了,则需要在内循环中重新尝试通过CAS新增线程数量
- if (runStateOf(c) != rs)
- continue retry;
- }
- }
- //跳出最外层for循环,说明通过CAS新增线程数量成功
- //此时创建新的工作线程
- boolean workerStarted = false;
- boolean workerAdded = false;
- Worker w = null;
- try {
- //将执行的任务封装成worker
- w = new Worker(firstTask);
- final Thread t = w.thread;
- if (t != null) {
- //独占锁,保证操作workers时的同步
- final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
- mainLock.lock();
- try {
- //此处需要重新检查线程池状态
- //原因是在获得锁之前可能其他的线程改变了线程池的状态
- int rs = runStateOf(ctl.get());
- if (rs < SHUTDOWN ||
- (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
- if (t.isAlive())
- throw new IllegalThreadStateException();
- //向worker中添加新任务
- workers.add(w);
- int s = workers.size();
- if (s > largestPoolSize)
- largestPoolSize = s;
- //将是否添加了新任务的标识设置为true
- workerAdded = true;
- }
- } finally {
- //释放独占锁
- mainLock.unlock();
- }
- //添加新任成功,则启动线程执行任务
- if (workerAdded) {
- t.start();
- //将任务是否已经启动的标识设置为true
- workerStarted = true;
- }
- }
- } finally {
- //如果任务未启动或启动失败,则调用addWorkerFailed(Worker)方法
- if (! workerStarted)
- addWorkerFailed(w);
- }
- //返回是否启动任务的标识
- return workerStarted;
- }
乍一看,addWorker(Runnable, boolean)方法还蛮长的,这里,我们还是将addWorker(Runnable, boolean)方法进行拆解。
(1)检查任务队列是否在某些特定的条件下为空,代码如下所示。
- // 检查队列是否在某些特定的条件下为空
- if (rs >= SHUTDOWN &&
- ! (rs == SHUTDOWN &&
- firstTask == null &&
- ! workQueue.isEmpty()))
- return false;
(2)在通过步骤(1)的校验后,则进入内层for循环,在内层for循环中通过CAS来增加线程池中的线程数量,如果CAS操作成功,则直接退出双重for循环。如果CAS操作失败,则查看当前线程池的状态是否发生了变化,如果线程池的状态发生了变化,则通过continue关键字重新通过外层for循环校验任务队列,检验通过再次执行内层for循环的CAS操作。如果线程池的状态没有发生变化,此时上一次CAS操作失败了,则继续尝试CAS操作。代码如下所示。
- for (;;) {
- //获取线程池中的线程数量
- int wc = workerCountOf(c);
- //如果线程池中的线程数量超出限制,直接返回false
- if (wc >= CAPACITY ||
- wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
- return false;
- //通过CAS方式向线程池新增线程数量
- if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
- //通过CAS方式保证只有一个线程执行成功,跳出最外层循环
- break retry;
- //重新获取ctl的值
- c = ctl.get();
- //如果CAS操作失败了,则需要在内循环中重新尝试通过CAS新增线程数量
- if (runStateOf(c) != rs)
- continue retry;
- }
(3)CAS操作成功后,表示向线程池中成功添加了工作线程,此时,还没有线程去执行任务。使用全局的独占锁mainLock来将新增的工作线程Worker对象安全的添加到workers中。
总体逻辑就是:创建新的Worker对象,并获取Worker对象中的执行线程,如果线程不为空,则获取独占锁,获取锁成功后,再次检查线线程的状态,这是避免在获取独占锁之前其他线程修改了线程池的状态,或者关闭了线程池。如果线程池关闭,则需要释放锁。否则将新增加的线程添加到工作集合中,释放锁并启动线程执行任务。将是否启动线程的标识设置为true。最后,判断线程是否启动,如果没有启动,则调用addWorkerFailed(Worker)方法。最终返回线程是否起送的标识。
- //跳出最外层for循环,说明通过CAS新增线程数量成功
- //此时创建新的工作线程
- boolean workerStarted = false;
- boolean workerAdded = false;
- Worker w = null;
- try {
- //将执行的任务封装成worker
- w = new Worker(firstTask);
- final Thread t = w.thread;
- if (t != null) {
- //独占锁,保证操作workers时的同步
- final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
- mainLock.lock();
- try {
- //此处需要重新检查线程池状态
- //原因是在获得锁之前可能其他的线程改变了线程池的状态
- int rs = runStateOf(ctl.get());
- if (rs < SHUTDOWN ||
- (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
- if (t.isAlive())
- throw new IllegalThreadStateException();
- //向worker中添加新任务
- workers.add(w);
- int s = workers.size();
- if (s > largestPoolSize)
- largestPoolSize = s;
- //将是否添加了新任务的标识设置为true
- workerAdded = true;
- }
- } finally {
- //释放独占锁
- mainLock.unlock();
- }
- //添加新任成功,则启动线程执行任务
- if (workerAdded) {
- t.start();
- //将任务是否已经启动的标识设置为true
- workerStarted = true;
- }
- }
- } finally {
- //如果任务未启动或启动失败,则调用addWorkerFailed(Worker)方法
- if (! workerStarted)
- addWorkerFailed(w);
- }
- //返回是否启动任务的标识
- return workerStarted;
addWorkerFailed(Worker)方法
在addWorker(Runnable, boolean)方法中,如果添加工作线程失败或者工作线程启动失败时,则会调用addWorkerFailed(Worker)方法,下面我们就来看看addWorkerFailed(Worker)方法的实现,如下所示。
- private void addWorkerFailed(Worker w) {
- //获取独占锁
- final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
- mainLock.lock();
- try {
- //如果Worker任务不为空
- if (w != null)
- //将任务从workers集合中移除
- workers.remove(w);
- //通过CAS将任务数量减1
- decrementWorkerCount();
- tryTerminate();
- } finally {
- //释放锁
- mainLock.unlock();
- }
- }
addWorkerFailed(Worker)方法的逻辑就比较简单了,获取独占锁,将任务从workers中移除,并且通过CAS将任务的数量减1,最后释放锁。
拒绝策略
我们在分析execute(Runnable)方法时,线程池会在适当的时候调用reject(Runnable)方法来执行相应的拒绝策略,我们看下reject(Runnable)方法的实现,如下所示。
- final void reject(Runnable command) {
- handler.rejectedExecution(command, this);
- }
通过代码,我们发现调用的是handler的rejectedExecution方法,handler又是个什么鬼,我们继续跟进代码,如下所示。
- private volatile RejectedExecutionHandler handler;
再看看RejectedExecutionHandler是个啥类型,如下所示。
- package java.util.concurrent;
- public interface RejectedExecutionHandler {
- void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
- }
可以发现RejectedExecutionHandler是个接口,定义了一个rejectedExecution(Runnable, ThreadPoolExecutor)方法。既然RejectedExecutionHandler是个接口,那我们就看看有哪些类实现了RejectedExecutionHandler接口。
看到这里,我们发现RejectedExecutionHandler接口的实现类正是线程池默认提供的四种拒绝策略的实现类。
至于reject(Runnable)方法中具体会执行哪个类的拒绝策略,是根据创建线程池时传递的参数决定的。如果没有传递拒绝策略,则默认会执行AbortPolicy类的拒绝策略。否则会执行传递的类的拒绝策略。
在创建线程池时,除了能够传递JDK默认提供的拒绝策略外,还可以传递自定义的拒绝策略。如果想使用自定义的拒绝策略,则只需要实现RejectedExecutionHandler接口,并重写rejectedExecution(Runnable, ThreadPoolExecutor)方法即可。例如,下面的代码。
- public class CustomPolicy implements RejectedExecutionHandler {
- public CustomPolicy() { }
- public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
- if (!e.isShutdown()) {
- System.out.println("使用调用者所在的线程来执行任务")
- r.run();
- }
- }
- }
使用如下方式创建线程池。
- new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
- 60L, TimeUnit.SECONDS,
- new SynchronousQueue<Runnable>(),
- Executors.defaultThreadFactory(),
- new CustomPolicy());