线程池源码精讲

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为什么要使用线程池

  1. 降低创建线程和销毁线程的性能开销。
  2. 提高响应速度,当有新任务需要执行是不需要等待线程创建就可以立马执行。
  3. 合理的设置线程池大小可以避免因为线程数过多消耗CPU资源。

我们来看阿里巴巴的代码规范,在项目中创建线程必须要使用线程池创建,原因也是我说的以上三点。

线程池的使用

首先我们来看下UML类图

  • Executor:可以看到最顶层是 Executor 的接口。这个接口很简单,只有一个 execute 方法。此接口的目的是为了把任务提交和任务执行解耦。

  • ExecutorService:这还是一个接口,继承自 Executor,它扩展了 Executor 接口,定义了更多线程池相关的操作。

  • AbstractExecutorService:提供了 ExecutorService 的部分默认实现。

  • ThreadPoolExecutor:实际上我们使用的线程池的实现是 ThreadPoolExecutor。它实现了线程池工作的完整机制。也是我们接下来分析的重点对象。

  • ForkJoinPool:和ThreadPoolExecutor都继承自AbstractExecutorService,适合用于分而治之,递归计算的算法

  • ScheduledExecutorService:这个接口扩展了ExecutorService,定义个延迟执行和周期性执行任务的方法。

  • ScheduledThreadPoolExecutor:此接口则是在继承 ThreadPoolExecutor 的基础上实现 ScheduledExecutorService 接口,提供定时和周期执行任务的特性。

搞清楚上面的结构很重要,Executors是一个工具类,然后看创建线程的两种方式,第一种是通过Executors提供的工厂方法来实现,有下面四种方式:

        Executor executor1 = Executors.newFixedThreadPool(10);
        Executor executor2 = Executors.newSingleThreadExecutor();
        Executor executor3 = Executors.newCachedThreadPool();
        Executor executor4 = Executors.newScheduledThreadPool(10);
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第二种是通过构造方法来实现

        ExecutorService executor5 = new ThreadPoolExecutor(1,
                1,
                0L,
                TimeUnit.MILLISECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<Runnable>(2), Executors.defaultThreadFactory(),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
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其实查看第一种方式创建的源码就会发现:

    public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue());
    }
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它们的底层还是通过调用ThreadPoolExecutor的构造方法,创建时传入不同参数,所以本质上还是只有一种创建线程池的方式,就是用构造方法,这里我不想讲用Executors的工厂方法具体帮我们创建了怎样的线程池,让我们再来看一条阿里巴巴规范。

看到这里大家都明白了吧,正是因为封装性太强了,反而小伙们会不知道怎么用,乱用,滥用,有可能会导致OOM,除非你对创建的这四个线程池了如指掌,所以我介绍了也是白介绍,因为就不让用,接下来我们重点看下ThreadPoolExecutor构造方法里各个参数的含义。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, //核心线程数量
                          int maximumPoolSize, //最大线程数
                          long keepAliveTime, //超时时间,超出核心线程数量以外的线程空余存活时间
                          TimeUnit unit, //存活时间单位
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue, //保存执行任务的队列
                          ThreadFactory threadFactory,//创建新线程使用的工厂
                          RejectedExecutionHandler handler //当任务无法执行的时候的处理方式)
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  • corePoolSize:即线程池的核心线程数量,其实也是最小线程数量。不设置allowCoreThreadTimeOut 的情况下,核心线程数量范围内的线程一直存活。线程不会自行销毁,而是以挂起的状态返回到线程池,直到应用程序再次向线程池发出请求时,线程池里挂起的线程就会再度激活执行任务。

  • maximumPoolSize:即线程池的最大线程数量

  • keepAliveTime和unit:超出核心线程数后的存活时间和存活单位

  • workQueue:是一个阻塞的 queue,用来保存线程池要执行的所有任务。通常可以取下面三种类型:

1)ArrayBlockingQueue:基于数组的先进先出队列,此队列创建时必须指定大小;  
2)LinkedBlockingQueue:基于链表的先进先出队列,如果创建时没有指定此队列大小,则默认为Integer.MAX_VALUE;
3)SynchronousQueue:这个队列比较特殊,它不会保存提交的任务,而是将直接新建一个线程来执行新来的任务。
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  • ThreadFactory:我们一般用Executors.defaultThreadFactory()默认工厂,为什么要用工厂呢,其实就是规范了生成的Thread。避免调用new Thread创建,导致创建出来的Thread可能存在差异

  • handler:当队列和最大线程池都满了之后的拒绝策略。

1、AbortPolicy:直接抛出异常,默认策略;
2、CallerRunsPolicy:用调用者所在的线程来执行任务;
3、DiscardOldestPolicy:丢弃阻塞队列中靠最前的任务,并执行当前任务;
4、DiscardPolicy:直接丢弃任务;
当然也可以根据应用场景实现 RejectedExecutionHandler 接口,自定义饱和策略,如记录
日志或持久化存储不能处理的任务
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创建完线程池后使用也很简单,带返回值和不带返回值,传入对应传入Runnable或者Callable接口的实现

//无返回值
executor5.execute(() -> System.out.println("jack xushuaige"));
//带返回值
String message = executor5.submit(() -> { return "jack xushuaige"; }).get();
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源码分析

execute方法

我们先从execute方法开始看

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();

    int c = ctl.get();
    //判断当前工作线程数是否小于核心线程数(延迟初始化)
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        //添加工作线程的同时,执行command
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
    //添加到阻塞队列
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        int recheck = ctl.get();
        //线程池停掉拒绝加入阻塞队列
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            //拒绝策略
            reject(command);
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    //阻塞队列满了,则添加工作线程(扩容的线程)
    else if (!addWorker(command, false))
        //拒绝策略
        reject(command);
}
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分三步做处理:

  1. 如果运行的线程数量小于 corePoolSize,那么尝试创建新的线程,并把传入的 command 作为它的第一个 task 来执行。调用 addWorker 会自动检查 runState 和 workCount,以此来防止在不应该添加线程时添加线程的错误警告;
  2. 即使 task 可以被成功加入队列,我们仍旧需要再次确认我们是否应该添加 thread(因为最后一次检查之后可能有线程已经死掉了)还是线程池在进入此方法后已经停掉了。所以我们会再次检查状态,如果有必要的话,可以回滚队列。或者当没有线程时,开启新的 thread;
  3. 如果无法将 task 加入 queue,那么可以尝试添加新的 thread。如果添加失败,这是因为线程池被关闭或者已经饱和了,所以拒绝这个 task。

下面用流程图演示一下,更加直观清楚

然后介绍一下源码中ctl是干什么的,点进去查看源码

我们发现它是一个原子类,主要作用是用来保存线程数量和线程池的状态,他用到了位运算, 一个int数值是32个 bit 位,这里采用高 3 位来保存运行状态,低 29 位来保存线程数量。

我们来计算一下ctlOf(RUNNING, 0)方法,其中 RUNNING =-1 << COUNT_BITS ; -1 左移 29 位,-1 的二进制是32个1(1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111),左移29位后得到(1110 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000),然后111| 0还是111,同理可得其他状态的 bit 位。这个位运算很有意思,hashmap源码中也用到了位运算,小伙们在平时开发中也可以尝试用下,这样运算速度会快,而且能够装b,介绍下这五种线程池的状态

  • RUNNING:接收新任务,并执行队列中的任务

  • SHUTDOWN:不接收新任务,但是执行队列中的任务

  • STOP:不接收新任务,不执行队列中的任务,中断正在执行中的任务

  • TIDYING:所有的任务都已结束,

线程数量为 0,处于该状态的线程池即将调用 terminated()方法

  • TERMINATED:terminated()方法执行完成

他们的转换关系如下:

addWorker方法

我们看到execute流程的核心方法为addWorker,我们继续分析,其实就做了两件事,拆分一下

第一步:通过原子操作增加线程数量:

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;
                //通过原子操作增加线程数量
                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
            }
        }
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retry是一个标记,和循环配合使用,continue retry 的时候,会跳到 retry 的地方再次执行。如果 break retry,则跳出整个循环体。源码先获取到 ctl,然后检查状态,然后根据创建线程类型的不同,进行数量的校验。在通过CAS方式更新 ctl状态,成功的话则跳出循环。否则再次取得线程池状态,如果和最初已经不一致,那么从头开始执行。如果状态并未改变则继续更新worker的数量。流程图如下:

第二步:添加 worker 到 workers 的 set 中。并且启动 worker 中持有的线程。代码如下:

boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
    //构建一个工作线程,此时还没有启动
    w = new Worker(firstTask);
    final Thread t = w.thread;
    if (t != null) {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            // Recheck while holding lock.
            // Back out on ThreadFactory failure or if
            // shut down before lock acquired.
            int rs = runStateOf(ctl.get());

            if (rs < SHUTDOWN ||
                (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                    throw new IllegalThreadStateException();
                //添加到一个容器中
                workers.add(w);
                int s = workers.size();
                //重新更新largestPoolSize
                if (s > largestPoolSize)
                    largestPoolSize = s;
                //添加成功
                workerAdded = true;
            }
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        if (workerAdded) {
            //启动线程
            t.start();
            workerStarted = true;
        }
    }
} finally {//失败回滚
    if (! workerStarted)
        addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
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可以看到添加 work 时需要先获得锁,这样确保多线程并发安全。如果添加 worker 成功,那么调用 worker 中线程的 start 方法启动线程。如果启动失败则调用 addWorkerFailed 方法进行回滚。看到这里小伙们会发现

1、ThreadPoolExecutor在初始化后并没有启动和创建任何线程,在调用 execute方法时才会调用 addWorker创建线程

2、addWorker方法中会创建新的worker,并启动其持有的线程来执行任务。

上文提到如果线程数量已经达到corePoolSize,则只会把command 加入到 workQueue中,那么加入到 workQueue中的command是如何被执行的呢?下面我们来分析 Worker 的源代码。

Worker类

Worker封装了线程,是executor中的工作单元。worker继承自AbstractQueuedSynchronizer,并实现 Runnable。 Worker 简单理解其实就是一个线程,里面重新了 run 方法,我们来看他的构造方法:

        Worker(Runnable firstTask) {
            setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
            this.firstTask = firstTask;
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
        }
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再来看下这两个重要的属性

        /** Thread this worker is running in.  Null if factory fails. */
        final Thread thread;
        /** Initial task to run.  Possibly null. */
        Runnable firstTask;
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firstTask 用它来保存传入的任务;thread 是在调用构造方法时通过 ThreadFactory 来创建的线程,是用来处理任务的线程,这里用的是 ThreadFactory 创建线程,并没有直接 new,原因上文也提到过,这里看下 newThread 传入的是 this,因为 Worker 本身继承了 Runnable 接口,所以 addWork 中调用的 t.start(),实际上运行的是 t 所属 worker 的 run 方法。worker 的 run 方法如下:

public void run() {
    runWorker(this);
}
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runWorker源码再如下:

    final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        w.unlock(); // allow interrupts
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
            //while循环保证当前线程不结束,直到task为null
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                //表示当前线程正在运行一个任务,如果其他地方要shutdown(),你必须等我执行完成
                w.lock();//worker继承了AQS->实现了互斥锁
                // If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
                // if not, ensure thread is not interrupted.  This
                // requires a recheck in second case to deal with
                // shutdownNow race while clearing interrupt
                if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                     (Thread.interrupted() &&
                      runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                    !wt.isInterrupted())
                    wt.interrupt();//是否应该触发中断
                try {
                    beforeExecute(wt, task);//空的实现
                    Throwable thrown = null;
                    try {
                        task.run();//执行task.run
                    } catch (RuntimeException x) {
                        thrown = x; throw x;
                    } catch (Error x) {
                        thrown = x; throw x;
                    } catch (Throwable x) {
                        thrown = x; throw new Error(x);
                    } finally {
                        afterExecute(task, thrown);//空的实现
                    }
                } finally {
                    task = null;
                    w.completedTasks++;
                    w.unlock();
                }
            }
            completedAbruptly = false;
        } finally {
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
    }
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getTask()

private Runnable getTask() {
    boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
    //cas自旋
    for (;;) {
        int c = ctl.get();
        int rs = runStateOf(c);
         
        //如果线程池已经结束状态,直接返回null,需要清理掉所有的工作线程
        // Check if queue empty only if necessary.
        if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
            decrementWorkerCount();
            return null;
        }

        int wc = workerCountOf(c);

        //是否允许超时
        //allowCoreThreadTimeOut为true
        //如果当前的工作线程数量大于核心线程数
        // Are workers subject to culling?
        boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;

        if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
            && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
            //cas减少工作线程数量
            if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                //表示要销毁当前工作线程
                return null;
            continue;
        }
        //获取任务的过程
        try {
            Runnable r = timed ?
                workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                //如果阻塞队列没有任务,当前工作线程就会阻塞在这里
                workQueue.take();
            if (r != null)
                return r;
            timedOut = true;
         //中断异常
        } catch (InterruptedException retry) {
            timedOut = false;
        }
    }
}
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简单分析一下

  1. 先取出 worker 中的 firstTask,并清空;
  2. 如果没有 firstTask,则调用 getTask 方法,从 workQueue 中获取task;
  3. 获取锁;
  4. 执行 beforeExecute。这里是空方法,如有需要在子类实现;
  5. 执行 task.run;
  6. 执行 afterExecute。这里是空方法,如有需要在子类实现;
  7. 清空 task,completedTasks++,释放锁;
  8. 当有异常或者没有 task 可执行时,会进入外层 finnaly 代码块。调用 processWorkerExit 退出当前 worker。从 works 中移除本 worker 后,如果 worker 数量小于 corePoolSize,则创建新的 worker,以维持 corePoolSize 大小的线程数。

这行代码 while (task != null || (task = getTask()) != null) ,确保了 worker 不停地从 workQueue 中取得 task 执行。getTask 方法会从 BlockingQueue workQueue 中 poll 或者 take 其中的 task 出来。

后面还有shutdown()、shutdownNow()等其他方法留给小伙们自行去观察研究哈。

如何合理配置线程池的大小

线程池大小不是靠猜,也不是说越多越好,最好的方式还是根据实际情况测试得出最佳配置。

  • CPU 密集型:主要是执行计算任务,响应时间很快,CPU 一直在运行,这种任务 CPU 利用率很高,会增加上下文切换,应当分配较少的线程,比如 CPU core+1

  • IO 密集型:主要是进行 IO 操作,执行 IO 操作的时间较长,由于线程并不是一直在运行,这时 CPU 利用率不高,可以增加线程池的大小,比如 CPU 2*core+1

线程池的监控

如果在项目中大规模的使用了线程池,那么必须要有一套监控体系,来指导当前线程池的状 态,当出现问题的时候可以快速定位到问题。我们通过重写线程池的 beforeExecute、afterExecute 和 shutdown 等方式就可以实现对线程的监控

看这些名称和定义都知道,这是让子类来实现的,可以在线程执行前、后、终止状态执行自定义逻辑。

总结

线程池这东西说简单也简单,说难也难,简单是因为用起来简单,难是难在要知道它的底层的源码,它是如何调度线程的,说两点吧,第一是本文中用了大量的流程图,当我们在阅读源码或者做复杂业务开发的时候,一定要静下心来先画个图,否则会被绕晕或者被别人打断后,又得从头到尾的看一边,第二是阅读源码,刚毕业的小伙伴可能只要会用行了,但是如果你工作五年了,还是只会用,那你比刚毕业的优势在哪里,凭什么工资要的高。感谢大家观看~

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后端
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