摘要：從手寫執行緒池開始，逐步的分析這些程式碼在Java的執行緒池中是如何實現的。
本文分享自華為雲社群《手寫執行緒池，對照學習ThreadPoolExecutor執行緒池實現原理！》，作者：小傅哥。
謝飛機，小記！，上次吃虧線上程上，這可能一次坑掉兩次嗎！
謝飛機：你問吧，我準備好了！！！
面試官：嗯，執行緒池狀態是如何設計儲存的？
謝飛機：這！下一個，下一個！
面試官：Worker 的實現類，為什麼不使用 ReentrantLock 來實現呢，而是自己繼承AQS？
謝飛機：我…！
面試官：那你簡述下，execute 的執行過程吧！
謝飛機：再見！
一、執行緒池講解
1. 先看個例子
ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(10)); threadPoolExecutor.execute(() -> { System.out.println("Hi 執行緒池！"); }); threadPoolExecutor.shutdown(); // Executors.newFixedThreadPool(10); // Executors.newCachedThreadPool(); // Executors.newScheduledThreadPool(10); // Executors.newSingleThreadExecutor();
這是一段用於建立執行緒池的例子，相信你已經用了很多次了。
執行緒池的核心目的就是資源的利用，避免重複建立執行緒帶來的資源消耗。因此引入一個池化技術的思想，避免重複建立、銷燬帶來的效能開銷。
那麼，接下來我們就通過實踐的方式分析下這個池子的構造，看看它是如何處理執行緒的。
2. 手寫一個執行緒池
2.1 實現流程
為了更好的理解和分析關於執行緒池的原始碼，我們先來按照執行緒池的思想，手寫一個非常簡單的執行緒池。
其實很多時候一段功能程式碼的核心主邏輯可能並沒有多複雜，但為了讓核心流程順利執行，就需要額外新增很多分支的輔助流程。就像我常說的，為了保護手才把擦屁屁紙弄那麼大！
關於圖 21-1，這個手寫執行緒池的實現也非常簡單，只會體現出核心流程，包括：
- 有n個一直在執行的執行緒，相當於我們建立執行緒池時允許的執行緒池大小。
- 把執行緒提交給執行緒池執行。
- 如果執行執行緒池已滿，則把執行緒放入佇列中。
- 最後當有空閒時，則獲取佇列中執行緒進行執行。
2.2 實現程式碼
public class ThreadPoolTrader implements Executor { private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(0); private volatile int corePoolSize; private volatile int maximumPoolSize; private final BlockingQueue<Runnable> workQueue; public ThreadPoolTrader(int corePoolSize, int maximumPoolSize, BlockingQueue<Runnable> workQueue) { this.corePoolSize = corePoolSize; this.maximumPoolSize = maximumPoolSize; this.workQueue = workQueue; } @Override public void execute(Runnable command) { int c = ctl.get(); if (c < corePoolSize) { if (!addWorker(command)) { reject(); } return; } if (!workQueue.offer(command)) { if (!addWorker(command)) { reject(); } } } private boolean addWorker(Runnable firstTask) { if (ctl.get() >= maximumPoolSize) return false; Worker worker = new Worker(firstTask); worker.thread.start(); ctl.incrementAndGet(); return true; } private final class Worker implements Runnable { final Thread thread; Runnable firstTask; public Worker(Runnable firstTask) { this.thread = new Thread(this); this.firstTask = firstTask; } @Override public void run() { Runnable task = firstTask; try { while (task != null || (task = getTask()) != null) { task.run(); if (ctl.get() > maximumPoolSize) { break; } task = null; } } finally { ctl.decrementAndGet(); } } private Runnable getTask() { for (; ; ) { try { System.out.println("workQueue.size：" + workQueue.size()); return workQueue.take(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } private void reject() { throw new RuntimeException("Error！ctl.count：" + ctl.get() + " workQueue.size：" + workQueue.size()); } public static void main(String[] args) { ThreadPoolTrader threadPoolTrader = new ThreadPoolTrader(2, 2, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10)); for (int i = 0; i < 10; i++) { int finalI = i; threadPoolTrader.execute(() -> { try { Thread.sleep(1500); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("任務編號：" + finalI); }); } } } // 測試結果 任務編號：1 任務編號：0 workQueue.size：8 workQueue.size：8 任務編號：3 workQueue.size：6 任務編號：2 workQueue.size：5 任務編號：5 workQueue.size：4 任務編號：4 workQueue.size：3 任務編號：7 workQueue.size：2 任務編號：6 workQueue.size：1 任務編號：8 任務編號：9 workQueue.size：0 workQueue.size：0
以上，關於執行緒池的實現還是非常簡單的，從測試結果上已經可以把最核心的池化思想體現出來了。主要功能邏輯包括：
- ctl，用於記錄執行緒池中執行緒數量。
- corePoolSize、maximumPoolSize，用於限制執行緒池容量。
- workQueue，執行緒池佇列，也就是那些還不能被及時執行的執行緒，會被裝入到這個佇列中。
- execute，用於提交執行緒，這個是通用的介面方法。在這個方法裡主要實現的就是，當前提交的執行緒是加入到worker、佇列還是放棄。
- addWorker，主要是類 Worker 的具體操作，建立並執行執行緒。這裡還包括了 getTask() 方法，也就是從佇列中不斷的獲取未被執行的執行緒。
好，那麼以上呢，就是這個簡單執行緒池實現的具體體現。但如果深思熟慮就會發現這裡需要很多完善，比如：執行緒池狀態呢，不可能一直奔跑呀！？、執行緒池的鎖呢，不會有併發問題嗎？、執行緒池拒絕後的策略呢？，這些問題都沒有在主流程解決，也正因為沒有這些流程，所以上面的程式碼才更容易理解。
接下來，我們就開始分析執行緒池的原始碼，與我們實現的簡單執行緒池參考對比，會更加容易理解 ！
3. 執行緒池原始碼分析
3.1 執行緒池類關係圖
以圍繞核心類 ThreadPoolExecutor 的實現展開的類之間實現和繼承關係，如圖 21-2 執行緒池類關係圖。
- 介面 Executor、ExecutorService，定義執行緒池的基本方法。尤其是 execute(Runnable command) 提交執行緒池方法。
- 抽象類 AbstractExecutorService，實現了基本通用的介面方法。
- ThreadPoolExecutor，是整個執行緒池最核心的工具類方法，所有的其他類和介面，為圍繞這個類來提供各自的功能。
- Worker，是任務類，也就是最終執行的執行緒的方法。
- RejectedExecutionHandler，是拒絕策略介面，有四個實現類；AbortPolicy(拋異常方式拒絕)、DiscardPolicy(直接丟棄)、DiscardOldestPolicy(丟棄存活時間最長的任務)、CallerRunsPolicy(誰提交誰執行)。
- Executors，是用於建立我們常用的不同策略的執行緒池，newFixedThreadPool、newCachedThreadPool、newScheduledThreadPool、newSingleThreadExecutor。
3.2 高3位與低29位
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0)); private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3; private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1; private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS; private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS; private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS; private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS; private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
在 ThreadPoolExecutor 執行緒池實現類中，使用 AtomicInteger 型別的 ctl 記錄執行緒池狀態和執行緒池數量。在一個型別上記錄多個值，它採用的分割資料區域，高3位記錄狀態，低29位儲存執行緒數量，預設 RUNNING 狀態，執行緒數為0個。
3.2 執行緒池狀態
圖 22-4 是執行緒池中的狀態流轉關係，包括如下狀態：
- RUNNING：執行狀態，接受新的任務並且處理佇列中的任務。
- SHUTDOWN：關閉狀態(呼叫了shutdown方法)。不接受新任務，,但是要處理佇列中的任務。
- STOP：停止狀態(呼叫了shutdownNow方法)。不接受新任務，也不處理佇列中的任務，並且要中斷正在處理的任務。
- TIDYING：所有的任務都已終止了，workerCount為0，執行緒池進入該狀態後會調 terminated() 方法進入TERMINATED 狀態。
- TERMINATED：終止狀態，terminated() 方法呼叫結束後的狀態。
3.3 提交執行緒(execute)
public void execute(Runnable command) { if (command == null) throw new NullPointerException(); int c = ctl.get(); if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { if (addWorker(command, true)) return; c = ctl.get(); } if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { int recheck = ctl.get(); if (! isRunning(recheck) && remove(command)) reject(command); else if (workerCountOf(recheck) == 0) addWorker(null, false); } else if (!addWorker(command, false)) reject(command); }
在閱讀這部分原始碼的時候，可以參考我們自己實現的執行緒池。其實最終的目的都是一樣的，就是這段被提交的執行緒，啟動執行、加入佇列、決策策略，這三種方式。
- ctl.get()，取的是記錄執行緒狀態和執行緒個數的值，最終需要使用方法 workerCountOf()，來獲取當前執行緒數量。`workerCountOf 執行的是 c & CAPACITY 運算
- 根據當前執行緒池中執行緒數量，與核心執行緒數 corePoolSize 做對比，小於則進行新增執行緒到任務執行佇列。
- 如果說此時執行緒數已滿，那麼則需要判斷執行緒池是否為執行狀態 isRunning(c)。如果是執行狀態則把不能被執行的執行緒放入執行緒佇列中。
- 放入執行緒佇列以後，還需要重新判斷執行緒是否執行以及移除操作，如果非執行且移除，則進行拒絕策略。否則判斷執行緒數量為0後新增新執行緒。
- 最後就是再次嘗試新增任務執行，此時方法 addWorker 的第二個入參是 false，最終會影響新增執行任務數量判斷。如果新增失敗則進行拒絕策略。
3.5 新增執行任務(addWorker)
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core)
第一部分、增加執行緒數量
retry: for (;;) { int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); // Check if queue empty only if necessary. if (rs >= SHUTDOWN && ! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty())) return false; for (;;) { int wc = workerCountOf(c); if (wc >= CAPACITY || wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) return false; if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) break retry; c = ctl.get(); // Re-read ctl if (runStateOf(c) != rs) continue retry; // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop } }
第一部分、建立啟動執行緒
boolean workerStarted = false; boolean workerAdded = false; Worker w = null; try { w = new Worker(firstTask); final Thread t = w.thread; if (t != null) { final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { int rs = runStateOf(ctl.get()); if (rs < SHUTDOWN || (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { if (t.isAlive()) // precheck that t is startable throw new IllegalThreadStateException(); workers.add(w); int s = workers.size(); if (s > largestPoolSize) largestPoolSize = s; workerAdded = true; } } finally { mainLock.unlock(); } if (workerAdded) { t.start(); workerStarted = true; } } } finally { if (! workerStarted) addWorkerFailed(w); } return workerStarted;
新增執行任務的流程可以分為兩塊看，上面程式碼部分是用於記錄執行緒數量、下面程式碼部分是在獨佔鎖裡建立執行執行緒並啟動。這部分程式碼在不看鎖、CAS等操作，那麼就和我們最開始手寫的執行緒池基本一樣了
- if (rs >= SHUTDOWN &&! (rs == SHUTDOWN &&firstTask == null &&! workQueue.isEmpty()))，判斷當前執行緒池狀態，是否為 SHUTDOWN、STOP、TIDYING、TERMINATED中的一個。並且當前狀態為 SHUTDOWN、且傳入的任務為 null，同時佇列不為空。那麼就返回 false。
- compareAndIncrementWorkerCount，CAS 操作，增加執行緒數量，成功就會跳出標記的迴圈體。
- runStateOf(c) != rs，最後是執行緒池狀態判斷，決定是否迴圈。
- 線上程池數量記錄成功後，則需要進入加鎖環節，建立執行執行緒，並記錄狀態。在最後如果判斷沒有啟動成功，則需要執行 addWorkerFailed 方法，剔除到執行緒方法等操作。
3.6 執行執行緒(runWorker)
final void runWorker(Worker w) { Thread wt = Thread.currentThread(); Runnable task = w.firstTask; w.firstTask = null; w.unlock(); // 允許中斷 boolean completedAbruptly = true; try { while (task != null || (task = getTask()) != null) w.lock(); if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) || (Thread.interrupted() && runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) && !wt.isInterrupted()) wt.interrupt(); try { beforeExecute(wt, task); Throwable thrown = null; try { task.run(); } finally { afterExecute(task, thrown); } } finally { task = null; w.completedTasks++; w.unlock(); } } completedAbruptly = false; } finally { processWorkerExit(w, completedAbruptly); } }
其實，有了手寫執行緒池的基礎，到這也就基本瞭解了，執行緒池在幹嘛。到這最核心的點就是 task.run() 讓執行緒跑起來。額外再附帶一些其他流程如下；
- beforeExecute、afterExecute，執行緒執行的前後做一些統計資訊。
- 另外這裡的鎖操作是 Worker 繼承 AQS 自己實現的不可重入的獨佔鎖。
- processWorkerExit，如果你感興趣，類似這樣的方法也可以深入瞭解下。線上程退出時候workers做到一些移除處理以及完成任務數等，也非常有意思
3.7 佇列獲取任務(getTask)
如果你已經開始閱讀原始碼，可以在 runWorker 方法中，看到這樣一句迴圈程式碼 while (task != null || (task = getTask()) != null)。這與我們手寫執行緒池中操作的方式是一樣的，核心目的就是從佇列中獲取執行緒方法。
private Runnable getTask() { boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out? for (;;) { int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c); // Check if queue empty only if necessary. if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) { decrementWorkerCount(); return null; } int wc = workerCountOf(c); // Are workers subject to culling? boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { if (compareAndDecrementWorkerCount(c)) return null; continue; } try { Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take(); if (r != null) return r; timedOut = true; } catch (InterruptedException retry) { timedOut = false; } } }
- getTask 方法從阻塞佇列中獲取等待被執行的任務，也就是一條條往出拿執行緒方法。
- if (rs >= SHUTDOWN ...，判斷執行緒是否關閉。
- wc = workerCountOf(c)，wc > corePoolSize，如果工作執行緒數超過核心執行緒數量 corePoolSize 並且 workQueue 不為空，則增加工作執行緒。但如果超時未獲取到執行緒，則會把大於 corePoolSize 的執行緒銷燬掉。
- timed，是 allowCoreThreadTimeOut 得來的。最終 timed 為 true 時，則通過阻塞佇列的poll方法進行超時控制。
- 如果在 keepAliveTime 時間內沒有獲取到任務，則返回null。如果為false，則阻塞。
二、總結
- 這一章節並沒有完全把執行緒池的所有知識點都介紹完，否則一篇內容會有些臃腫。在這一章節我們從手寫執行緒池開始，逐步的分析這些程式碼在Java的執行緒池中是如何實現的，涉及到的知識點也幾乎是我們以前介紹過的內容，包括：佇列、CAS、AQS、重入鎖、獨佔鎖等內容。所以這些知識也基本是環環相扣的，最好有一些根基否則會有些不好理解。
- 除了本章介紹的，我們還沒有講到執行緒的銷燬過程、四種執行緒池方法的選擇和使用、以及在CPU密集型任務、IO 密集型任務時該怎麼配置。另外在Spring中也有自己實現的執行緒池方法。這些知識點都非常貼近實際操作。