Java多线程系列--“JUC线程池”03之 线程池原理(二)

Java多线程系列--“JUC线程池”03之 线程池原理(二)

 

概要

在前面一章"Java多线程系列--“JUC线程池”02之 线程池原理(一)"中介绍了线程池的数据结构，本章会通过分析线程池的源码，对线程池进行说明。内容包括：
线程池示例
参考代码(基于JDK1.7.0_40)
线程池源码分析
    (一) 创建“线程池”
    (二) 添加任务到“线程池”
    (三) 关闭“线程池”
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线程池示例

在分析线程池之前，先看一个简单的线程池示例。

1 import java.util.concurrent.Executors;
2 import java.util.concurrent.ExecutorService;
3
4 public class ThreadPoolDemo1 {
5
6     public static void main(String[] args) {
7         // 创建一个可重用固定线程数的线程池
8         ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
9         // 创建实现了Runnable接口对象，Thread对象当然也实现了Runnable接口
10         Thread ta = new MyThread();
11         Thread tb = new MyThread();
12         Thread tc = new MyThread();
13         Thread td = new MyThread();
14         Thread te = new MyThread();
15         // 将线程放入池中进行执行
16         pool.execute(ta);
17         pool.execute(tb);
18         pool.execute(tc);
19         pool.execute(td);
20         pool.execute(te);
21         // 关闭线程池
22         pool.shutdown();
23     }
24 }
25
26 class MyThread extends Thread {
27
28     @Override
29     public void run() {
30         System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " is running.");
31     }
32 }

运行结果：

pool-1-thread-1 is running.
pool-1-thread-2 is running.
pool-1-thread-1 is running.
pool-1-thread-2 is running.
pool-1-thread-1 is running.

示例中，包括了线程池的创建，将任务添加到线程池中，关闭线程池这3个主要的步骤。稍后，我们会从这3个方面来分析ThreadPoolExecutor。
 

参考代码(基于JDK1.7.0_40)

Executors完整源码


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ThreadPoolExecutor完整源码


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线程池源码分析

(一) 创建“线程池”
下面以newFixedThreadPool()介绍线程池的创建过程。
1. newFixedThreadPool()
newFixedThreadPool()在Executors.java中定义，源码如下：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

说明：newFixedThreadPool(int nThreads)的作用是创建一个线程池，线程池的容量是nThreads。
         newFixedThreadPool()在调用ThreadPoolExecutor()时，会传递一个LinkedBlockingQueue()对象，而LinkedBlockingQueue是单向链表实现的阻塞队列。在线程池中，就是通过该阻塞队列来实现"当线程池中任务数量超过允许的任务数量时，部分任务会阻塞等待"。
关于LinkedBlockingQueue的实现细节，读者可以参考"Java多线程系列--“JUC集合”08之 LinkedBlockingQueue"。
 
2. ThreadPoolExecutor()
ThreadPoolExecutor()在ThreadPoolExecutor.java中定义，源码如下：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}

说明：该函数实际上是调用ThreadPoolExecutor的另外一个构造函数。该函数的源码如下：

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();
// 核心池大小
this.corePoolSize = corePoolSize;
// 最大池大小
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
// 线程池的等待队列
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
// 线程工厂对象
this.threadFactory = threadFactory;
// 拒绝策略的句柄
this.handler = handler;
}

说明：在ThreadPoolExecutor()的构造函数中，进行的是初始化工作。
corePoolSize, maximumPoolSize, unit, keepAliveTime和workQueue这些变量的值是已知的，它们都是通过newFixedThreadPool()传递而来。下面看看threadFactory和handler对象。
 
2.1 ThreadFactory
线程池中的ThreadFactory是一个线程工厂，线程池创建线程都是通过线程工厂对象(threadFactory)来完成的。
上面所说的threadFactory对象，是通过 Executors.defaultThreadFactory()返回的。Executors.java中的defaultThreadFactory()源码如下：

public static ThreadFactory defaultThreadFactory() {
return new DefaultThreadFactory();
}

defaultThreadFactory()返回DefaultThreadFactory对象。Executors.java中的DefaultThreadFactory()源码如下：
 

static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
private final ThreadGroup group;
private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
private final String namePrefix;

DefaultThreadFactory() {
SecurityManager s = System.getSecurityManager();
group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
Thread.currentThread().getThreadGroup();
namePrefix = "pool-" +
poolNumber.getAndIncrement() +
"-thread-";
}

// 提供创建线程的API。
public Thread newThread(Runnable r) {
// 线程对应的任务是Runnable对象r
Thread t = new Thread(group, r,
namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
0);
// 设为“非守护线程”
if (t.isDaemon())
t.setDaemon(false);
// 将优先级设为“Thread.NORM_PRIORITY”
if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
return t;
}
}

 
说明：ThreadFactory的作用就是提供创建线程的功能的线程工厂。
         它是通过newThread()提供创建线程功能的，下面简单说说newThread()。newThread()创建的线程对应的任务是Runnable对象，它创建的线程都是“非守护线程”而且“线程优先级都是Thread.NORM_PRIORITY”。
 
2.2 RejectedExecutionHandler
handler是ThreadPoolExecutor中拒绝策略的处理句柄。所谓拒绝策略，是指将任务添加到线程池中时，线程池拒绝该任务所采取的相应策略。
线程池默认会采用的是defaultHandler策略，即AbortPolicy策略。在AbortPolicy策略中，线程池拒绝任务时会抛出异常！
defaultHandler的定义如下：

private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy();

AbortPolicy的源码如下：

public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
public AbortPolicy() { }

// 抛出异常
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
" rejected from " +
e.toString());
}
}

 
(二) 添加任务到“线程池”
1. execute()
execute()定义在ThreadPoolExecutor.java中，源码如下：

public void execute(Runnable command) {
// 如果任务为null，则抛出异常。
if (command == null)
throw new NullPointerException();
// 获取ctl对应的int值。该int值保存了"线程池中任务的数量"和"线程池状态"信息
int c = ctl.get();
// 当线程池中的任务数量 < "核心池大小"时，即线程池中少于corePoolSize个任务。
// 则通过addWorker(command, true)新建一个线程，并将任务(command)添加到该线程中；然后，启动该线程从而执行任务。
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 当线程池中的任务数量 >= "核心池大小"时，
// 而且，"线程池处于允许状态"时，则尝试将任务添加到阻塞队列中。
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
// 再次确认“线程池状态”，若线程池异常终止了，则删除任务；然后通过reject()执行相应的拒绝策略的内容。
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 否则，如果"线程池中任务数量"为0，则通过addWorker(null, false)尝试新建一个线程，新建线程对应的任务为null。
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 通过addWorker(command, false)新建一个线程，并将任务(command)添加到该线程中；然后，启动该线程从而执行任务。
// 如果addWorker(command, false)执行失败，则通过reject()执行相应的拒绝策略的内容。
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}

说明：execute()的作用是将任务添加到线程池中执行。它会分为3种情况进行处理：
        情况1 -- 如果"线程池中任务数量" < "核心池大小"时，即线程池中少于corePoolSize个任务；此时就新建一个线程，并将该任务添加到线程中进行执行。
        情况2 -- 如果"线程池中任务数量" >= "核心池大小"，并且"线程池是允许状态"；此时，则将任务添加到阻塞队列中阻塞等待。在该情况下，会再次确认"线程池的状态"，如果"第2次读到的线程池状态"和"第1次读到的线程池状态"不同，则从阻塞队列中删除该任务。
        情况3 -- 非以上两种情况。在这种情况下，尝试新建一个线程，并将该任务添加到线程中进行执行。如果执行失败，则通过reject()拒绝该任务。
 
2. addWorker()
addWorker()的源码如下：

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
// 更新"线程池状态和计数"标记，即更新ctl。
for (;;) {
// 获取ctl对应的int值。该int值保存了"线程池中任务的数量"和"线程池状态"信息
int c = ctl.get();
// 获取线程池状态。
int rs = runStateOf(c);

// 有效性检查
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;

for (;;) {
// 获取线程池中任务的数量。
int wc = workerCountOf(c);
// 如果"线程池中任务的数量"超过限制，则返回false。
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
// 通过CAS函数将c的值+1。操作失败的话，则退出循环。
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
c = ctl.get();  // Re-read ctl
// 检查"线程池状态"，如果与之前的状态不同，则从retry重新开始。
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}

boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
// 添加任务到线程池，并启动任务所在的线程。
try {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
// 新建Worker，并且指定firstTask为Worker的第一个任务。
w = new Worker(firstTask);
// 获取Worker对应的线程。
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
// 获取锁
mainLock.lock();
try {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);

// 再次确认"线程池状态"
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
// 将Worker对象(w)添加到"线程池的Worker集合(workers)"中
workers.add(w);
// 更新largestPoolSize
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
// 释放锁
mainLock.unlock();
}
// 如果"成功将任务添加到线程池"中，则启动任务所在的线程。
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
// 返回任务是否启动。
return workerStarted;
}

说明：
    addWorker(Runnable firstTask, boolean core) 的作用是将任务(firstTask)添加到线程池中，并启动该任务。
    core为true的话，则以corePoolSize为界限，若"线程池中已有任务数量>=corePoolSize"，则返回false；core为false的话，则以maximumPoolSize为界限，若"线程池中已有任务数量>=maximumPoolSize"，则返回false。
    addWorker()会先通过for循环不断尝试更新ctl状态，ctl记录了"线程池中任务数量和线程池状态"。
    更新成功之后，再通过try模块来将任务添加到线程池中，并启动任务所在的线程。
    从addWorker()中，我们能清晰的发现：线程池在添加任务时，会创建任务对应的Worker对象；而一个Workder对象包含一个Thread对象。(01) 通过将Worker对象添加到"线程的workers集合"中，从而实现将任务添加到线程池中。 (02) 通过启动Worker对应的Thread线程，则执行该任务。
 
3. submit()
补充说明一点，submit()实际上也是通过调用execute()实现的，源码如下：

public Future<?> submit(Runnable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
execute(ftask);
return ftask;
}

 
(三) 关闭“线程池”
shutdown()的源码如下：

public void shutdown() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
// 获取锁
mainLock.lock();
try {
// 检查终止线程池的“线程”是否有权限。
checkShutdownAccess();
// 设置线程池的状态为关闭状态。
advanceRunState(SHUTDOWN);
// 中断线程池中空闲的线程。
interruptIdleWorkers();
// 钩子函数，在ThreadPoolExecutor中没有任何动作。
onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
} finally {
// 释放锁
mainLock.unlock();
}
// 尝试终止线程池
tryTerminate();
}

说明：shutdown()的作用是关闭线程池。