【高并发】通过ThreadPoolExecutor类的源码深度解析线程池执行任务的核心流程

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。

【高并发】通过ThreadPoolExecutor类的源码深度解析线程池执行任务的核心流程

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。

【高并发】通过ThreadPoolExecutor类的源码深度解析线程池执行任务的核心流程

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()); 

至此,线程池执行任务的整体核心逻辑分析结束。

好了,今天就到这儿吧,我是冰河,我们下期见~~

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