通过Thread Pool Executor类解析线程池执行任务的核心流程

Posted 2022-09-29

摘要：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。

本文分享自华为云社区《​​【高并发】通过Thread Pool Executor类的源码深度解析线程池执行任务的核心流程​​》，作者：冰 河。

今天，我们通过Thread Pool Executor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，按照步骤，调试下Thread Pool Executor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

Thread PoolExecutor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());

至此，线程池执行任务的整体核心逻辑分析结束。

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