Java 執行緒池中的執行緒複用是如何實現的？

武培軒發表於2020-07-11
Java執行緒

前幾天，技術群裡有個群友問了一個關於執行緒池的問題，內容如圖所示：

關於執行緒池相關知識可以先看下這篇：為什麼阿里巴巴Java開發手冊中強制要求執行緒池不允許使用Executors建立？

那麼就來和大家探討下這個問題，線上程池中，執行緒會從 workQueue 中讀取任務來執行，最小的執行單位就是 Worker，Worker 實現了 Runnable 介面，重寫了 run 方法，這個 run 方法是讓每個執行緒去執行一個迴圈，在這個迴圈程式碼中，去判斷是否有任務待執行，若有則直接去執行這個任務，因此執行緒數不會增加。

如下是執行緒池建立執行緒的整體流程圖：

首先會判斷執行緒池的狀態，也就是是否在執行，若執行緒為非執行狀態，則會拒絕。接下來會判斷執行緒數是否小於核心執行緒數，若小於核心執行緒數，會新建工作執行緒並執行任務，隨著任務的增多，執行緒數會慢慢增加至核心執行緒數，如果此時還有任務提交，就會判斷阻塞佇列 workQueue 是否已滿，若沒滿，則會將任務放入到阻塞佇列中，等待工作執行緒獲得並執行，如果任務提交非常多，使得阻塞佇列達到上限，會去判斷執行緒數是否小於最大執行緒數 maximumPoolSize，若小於最大執行緒數，執行緒池會新增工作執行緒並執行任務，如果仍然有大量任務提交，使得執行緒數等於最大執行緒數，如果此時還有任務提交，就會被拒絕。

現在我們對這個流程大致有所瞭解，那麼讓我們去看看原始碼是如何實現的吧！

執行緒池的任務提交從 submit 方法來說，submit 方法是 AbstractExecutorService 抽象類定義的，主要做了兩件事情：

  1. 把 Runnable 和 Callable 都轉化成 FutureTask
  2. 使用 execute 方法執行 FutureTask

execute 方法是 ThreadPoolExecutor 中的方法，原始碼如下：

public void execute(Runnable command) {
    // 若任務為空，則拋 NPE，不能執行空任務
    if (command == null) {
        throw new NullPointerException();
    }
    int c = ctl.get();
    // 若工作執行緒數小於核心執行緒數，則建立新的執行緒，並把當前任務 command 作為這個執行緒的第一個任務
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true)) {
            return;
        }
        c = ctl.get();
    }
    /**
        * 至此，有以下兩種情況：
        * 1.當前工作執行緒數大於等於核心執行緒數
        * 2.新建執行緒失敗
        * 此時會嘗試將任務新增到阻塞佇列 workQueue
        */
    // 若執行緒池處於 RUNNING 狀態，將任務新增到阻塞佇列 workQueue 中
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        // 再次檢查執行緒池標記
        int recheck = ctl.get();
        // 如果執行緒池已不處於 RUNNING 狀態，那麼移除已入隊的任務，並且執行拒絕策略
        if (!isRunning(recheck) && remove(command)) {
            // 任務新增到阻塞佇列失敗，執行拒絕策略
            reject(command);
        }
        // 如果執行緒池還是 RUNNING 的，並且執行緒數為 0，那麼開啟新的執行緒
        else if (workerCountOf(recheck) == 0) {
            addWorker(null, false);
        }
    }
    /**
        * 至此，有以下兩種情況：
        * 1.執行緒池處於非執行狀態，執行緒池不再接受新的執行緒
        * 2.執行緒處於執行狀態，但是阻塞佇列已滿，無法加入到阻塞佇列
        * 此時會嘗試以最大執行緒數為界建立新的工作執行緒
        */
    else if (!addWorker(command, false)) {
        // 任務進入執行緒池失敗，執行拒絕策略
        reject(command);
    }
}

可以看到 execute 方法中的的核心方法為 addWorker，再去看 addWorker 方法之前，先看下 Worker 的初始化方法：

Worker(Runnable firstTask) {
    // 每個任務的鎖狀態初始化為-1，這樣工作執行緒在執行之前禁止中斷
    setState(-1);
    this.firstTask = firstTask;
    // 把 Worker 作為 thread 執行的任務
    this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}

在 Worker 初始化時把當前 Worker 作為執行緒的構造器入參，接下來從 addWorker 方法中可以找到如下程式碼：

final Thread t = w.thread;
// 如果成功新增了 Worker，就可以啟動 Worker 了
if (workerAdded) {
    t.start();
    workerStarted = true;
}

這塊程式碼是新增 worker 成功，呼叫 start 方法啟動執行緒，Thread t = w.thread; 此時的 w 是 Worker 的引用，那麼t.start();實際上執行的就是 Worker 的 run 方法。

Worker 的 run 方法中呼叫了 runWorker 方法，簡化後的 runWorker 原始碼如下：

final void runWorker(Worker w) {
    Runnable task = w.firstTask;
    while (task != null || (task = getTask()) != null) {
        try {
            task.run();
        } finally {
            task = null;
        }
    }
}

這個 while 迴圈有個 getTask 方法，getTask 的主要作用是阻塞從佇列中拿任務出來，如果佇列中有任務，那麼就可以拿出來執行，如果佇列中沒有任務，這個執行緒會一直阻塞到有任務為止（或者超時阻塞），其中 getTask 方法的時序圖如下：

其中執行緒複用的關鍵是 1.6 和 1.7 部分，這部分原始碼如下：

Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take();

使用佇列的 poll 或 take 方法從佇列中拿資料，根據佇列的特性，佇列中有任務可以返回，佇列中無任務會阻塞。

執行緒池的執行緒複用就是通過取 Worker 的 firstTask 或者通過 getTask 方法從 workQueue 中不停地取任務，並直接呼叫 Runnable 的 run 方法來執行任務，這樣就保證了每個執行緒都始終在一個迴圈中，反覆獲取任務，然後執行任務，從而實現了執行緒的複用。

總結

本文主要從原始碼的角度解析了 Java 執行緒池中的執行緒複用是如何實現的。歡迎大家留言交流討論。

最好的關係就是互相成就，大家的在看、轉發、留言三連就是我創作的最大動力。

更詳細的原始碼解析可以點選連結檢視：https://github.com/wupeixuan/JDKSourceCode1.8

參考

https://github.com/wupeixuan/JDKSourceCode1.8

面試官系統精講Java原始碼及大廠真題

Java併發程式設計學習寶典

Java 併發面試 78 講

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