手写一个线程池，带你学习ThreadPoolExecutor线程池实现原理

摘要：从手写线程池开始，逐步的分析这些代码在Java的线程池中是如何实现的。

本文分享自华为云社区《手写线程池，对照学习ThreadPoolExecutor线程池实现原理！》，作者：小傅哥。

谢飞机，小记！，上次吃亏在线程上，这可能一次坑掉两次吗！

谢飞机：你问吧，我准备好了！！！

面试官：嗯，线程池状态是如何设计存储的？

谢飞机：这！下一个，下一个！

面试官：Worker 的实现类，为什么不使用 ReentrantLock 来实现呢，而是自己继承AQS？

谢飞机：我…！

面试官：那你简述下，execute 的执行过程吧！

谢飞机：再见！

一、线程池讲解

1. 先看个例子

ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(10));

threadPoolExecutor.execute(() -> {

    System.out.println("Hi 线程池！");

});

threadPoolExecutor.shutdown();

// Executors.newFixedThreadPool(10);

// Executors.newCachedThreadPool();

// Executors.newScheduledThreadPool(10);

// Executors.newSingleThreadExecutor();

这是一段用于创建线程池的例子，相信你已经用了很多次了。

线程池的核心目的就是资源的利用，避免重复创建线程带来的资源消耗。因此引入一个池化技术的思想，避免重复创建、销毁带来的性能开销。

那么，接下来我们就通过实践的方式分析下这个池子的构造，看看它是如何处理线程的。

2. 手写一个线程池

2.1 实现流程

为了更好的理解和分析关于线程池的源码，我们先来按照线程池的思想，手写一个非常简单的线程池。

其实很多时候一段功能代码的核心主逻辑可能并没有多复杂，但为了让核心流程顺利运行，就需要额外添加很多分支的辅助流程。就像我常说的，为了保护手才把擦屁屁纸弄那么大！

关于图 21-1，这个手写线程池的实现也非常简单，只会体现出核心流程，包括：

有n个一直在运行的线程，相当于我们创建线程池时允许的线程池大小。
把线程提交给线程池运行。
如果运行线程池已满，则把线程放入队列中。
最后当有空闲时，则获取队列中线程进行运行。

2.2 实现代码

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("任务编号：" + finalI);

            });

        }

    }

}

// 测试结果

任务编号：1

任务编号：0

workQueue.size：8

workQueue.size：8

任务编号：3

workQueue.size：6

任务编号：2

workQueue.size：5

任务编号：5

workQueue.size：4

任务编号：4

workQueue.size：3

任务编号：7

workQueue.size：2

任务编号：6

workQueue.size：1

任务编号：8

任务编号：9

workQueue.size：0

workQueue.size：0

以上，关于线程池的实现还是非常简单的，从测试结果上已经可以把最核心的池化思想体现出来了。主要功能逻辑包括：

ctl，用于记录线程池中线程数量。
corePoolSize、maximumPoolSize，用于限制线程池容量。
workQueue，线程池队列，也就是那些还不能被及时运行的线程，会被装入到这个队列中。
execute，用于提交线程，这个是通用的接口方法。在这个方法里主要实现的就是，当前提交的线程是加入到worker、队列还是放弃。
addWorker，主要是类 Worker 的具体操作，创建并执行线程。这里还包括了 getTask() 方法，也就是从队列中不断的获取未被执行的线程。

好，那么以上呢，就是这个简单线程池实现的具体体现。但如果深思熟虑就会发现这里需要很多完善，比如：线程池状态呢，不可能一直奔跑呀！？、线程池的锁呢，不会有并发问题吗？、线程池拒绝后的策略呢？，这些问题都没有在主流程解决，也正因为没有这些流程，所以上面的代码才更容易理解。

接下来，我们就开始分析线程池的源码，与我们实现的简单线程池参考对比，会更加容易理解！

3. 线程池源码分析

3.1 线程池类关系图

以围绕核心类 ThreadPoolExecutor 的实现展开的类之间实现和继承关系，如图 21-2 线程池类关系图。

接口 Executor、ExecutorService，定义线程池的基本方法。尤其是 execute(Runnable command) 提交线程池方法。
抽象类 AbstractExecutorService，实现了基本通用的接口方法。
ThreadPoolExecutor，是整个线程池最核心的工具类方法，所有的其他类和接口，为围绕这个类来提供各自的功能。
Worker，是任务类，也就是最终执行的线程的方法。
RejectedExecutionHandler，是拒绝策略接口，有四个实现类；AbortPolicy(抛异常方式拒绝)、DiscardPolicy(直接丢弃)、DiscardOldestPolicy(丢弃存活时间最长的任务)、CallerRunsPolicy(谁提交谁执行)。
Executors，是用于创建我们常用的不同策略的线程池，newFixedThreadPool、newCachedThreadPool、newScheduledThreadPool、newSingleThreadExecutor。

3.2 高3位与低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 线程池实现类中，使用 AtomicInteger 类型的 ctl 记录线程池状态和线程池数量。在一个类型上记录多个值，它采用的分割数据区域，高3位记录状态，低29位存储线程数量，默认 RUNNING 状态，线程数为0个。

3.2 线程池状态

图 22-4 是线程池中的状态流转关系，包括如下状态：

RUNNING：运行状态，接受新的任务并且处理队列中的任务。
SHUTDOWN：关闭状态(调用了shutdown方法)。不接受新任务，,但是要处理队列中的任务。
STOP：停止状态(调用了shutdownNow方法)。不接受新任务，也不处理队列中的任务，并且要中断正在处理的任务。
TIDYING：所有的任务都已终止了，workerCount为0，线程池进入该状态后会调 terminated() 方法进入TERMINATED 状态。
TERMINATED：终止状态，terminated() 方法调用结束后的状态。

3.3 提交线程(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);

}

在阅读这部分源码的时候，可以参考我们自己实现的线程池。其实最终的目的都是一样的，就是这段被提交的线程，启动执行、加入队列、决策策略，这三种方式。

ctl.get()，取的是记录线程状态和线程个数的值，最终需要使用方法 workerCountOf()，来获取当前线程数量。`workerCountOf 执行的是 c & CAPACITY 运算
根据当前线程池中线程数量，与核心线程数 corePoolSize 做对比，小于则进行添加线程到任务执行队列。
如果说此时线程数已满，那么则需要判断线程池是否为运行状态 isRunning(c)。如果是运行状态则把不能被执行的线程放入线程队列中。
放入线程队列以后，还需要重新判断线程是否运行以及移除操作，如果非运行且移除，则进行拒绝策略。否则判断线程数量为0后添加新线程。
最后就是再次尝试添加任务执行，此时方法 addWorker 的第二个入参是 false，最终会影响添加执行任务数量判断。如果添加失败则进行拒绝策略。

3.5 添加执行任务(addWorker)

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core)

第一部分、增加线程数量

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、创建启动线程

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;

添加执行任务的流程可以分为两块看，上面代码部分是用于记录线程数量、下面代码部分是在独占锁里创建执行线程并启动。这部分代码在不看锁、CAS等操作，那么就和我们最开始手写的线程池基本一样了

if (rs >= SHUTDOWN &&! (rs == SHUTDOWN &&firstTask == null &&! workQueue.isEmpty()))，判断当前线程池状态，是否为 SHUTDOWN、STOP、TIDYING、TERMINATED中的一个。并且当前状态为 SHUTDOWN、且传入的任务为 null，同时队列不为空。那么就返回 false。
compareAndIncrementWorkerCount，CAS 操作，增加线程数量，成功就会跳出标记的循环体。
runStateOf(c) != rs，最后是线程池状态判断，决定是否循环。
在线程池数量记录成功后，则需要进入加锁环节，创建执行线程，并记录状态。在最后如果判断没有启动成功，则需要执行 addWorkerFailed 方法，剔除到线程方法等操作。

3.6 执行线程(runWorker)

final void runWorker(Worker w) {

    Thread wt = Thread.currentThread();

    Runnable task = w.firstTask;

    w.firstTask = null;

    w.unlock(); // 允许中断

    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);

    }

}

其实，有了手写线程池的基础，到这也就基本了解了，线程池在干嘛。到这最核心的点就是 task.run() 让线程跑起来。额外再附带一些其他流程如下；

beforeExecute、afterExecute，线程执行的前后做一些统计信息。
另外这里的锁操作是 Worker 继承 AQS 自己实现的不可重入的独占锁。
processWorkerExit，如果你感兴趣，类似这样的方法也可以深入了解下。在线程退出时候workers做到一些移除处理以及完成任务数等，也非常有意思

3.7 队列获取任务(getTask)

如果你已经开始阅读源码，可以在 runWorker 方法中，看到这样一句循环代码 while (task != null || (task = getTask()) != null)。这与我们手写线程池中操作的方式是一样的，核心目的就是从队列中获取线程方法。

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 方法从阻塞队列中获取等待被执行的任务，也就是一条条往出拿线程方法。
if (rs >= SHUTDOWN ...，判断线程是否关闭。
wc = workerCountOf(c)，wc > corePoolSize，如果工作线程数超过核心线程数量 corePoolSize 并且 workQueue 不为空，则增加工作线程。但如果超时未获取到线程，则会把大于 corePoolSize 的线程销毁掉。
timed，是 allowCoreThreadTimeOut 得来的。最终 timed 为 true 时，则通过阻塞队列的poll方法进行超时控制。
如果在 keepAliveTime 时间内没有获取到任务，则返回null。如果为false，则阻塞。

二、总结

这一章节并没有完全把线程池的所有知识点都介绍完，否则一篇内容会有些臃肿。在这一章节我们从手写线程池开始，逐步的分析这些代码在Java的线程池中是如何实现的，涉及到的知识点也几乎是我们以前介绍过的内容，包括：队列、CAS、AQS、重入锁、独占锁等内容。所以这些知识也基本是环环相扣的，最好有一些根基否则会有些不好理解。
除了本章介绍的，我们还没有讲到线程的销毁过程、四种线程池方法的选择和使用、以及在CPU密集型任务、IO 密集型任务时该怎么配置。另外在Spring中也有自己实现的线程池方法。这些知识点都非常贴近实际操作。

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巴特西