面经手册 · 第21篇《手写线程池，对照学习ThreadPoolExecutor线程池实现原理！》

作者：小傅哥
博客：https://bugstack.cn
Github：https://github.com/fuzhengwei/CodeGuide/wiki

沉淀、分享、成长，让自己和他人都能有所收获！😄

一、前言

人看手机，机器学习！

正好是2020年，看到这张图还是蛮有意思的。以前小时候总会看到一些科技电影，讲到机器人会怎样怎样，但没想到人似乎被娱乐化的东西，搞成了低头族、大肚子！

当意识到这一点时，其实非常怀念小时候。放假的早上跑出去，喊上三五个伙伴，要不下河摸摸鱼、弹弹玻璃球、打打pia、跳跳房子！一天下来真的不会感觉累，但现在如果是放假的一天，你的娱乐安排，很多时候会让头很累！

就像，你有试过学习一天英语头疼，还是刷一天抖音头疼吗？或者玩一天游戏与打一天球！如果你意识到了，那么争取放下一会手机，适当娱乐，锻炼保持个好身体！

二、面试题

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！

三、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();

  

 

  
1
  
2
  
3
  
4
  
5
  
6
  
7
  
8
  
9
  
10
 

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：

1. 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。
2. 把线程提交给线程池运行。
3. 如果运行线程池已满，则把线程放入队列中。
4. 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

  

 

  
1
  
2
  
3
  
4
  
5
  
6
  
7
  
8
  
9
  
10
  
11
  
12
  
13
  
14
  
15
  
16
  
17
  
18
  
19
  
20
  
21
  
22
  
23
  
24
  
25
  
26
  
27
  
28
  
29
  
30
  
31
  
32
  
33
  
34
  
35
  
36
  
37
  
38
  
39
  
40
  
41
  
42
  
43
  
44
  
45
  
46
  
47
  
48
  
49
  
50
  
51
  
52
  
53
  
54
  
55
  
56
  
57
  
58
  
59
  
60
  
61
  
62
  
63
  
64
  
65
  
66
  
67
  
68
  
69
  
70
  
71
  
72
  
73
  
74
  
75
  
76
  
77
  
78
  
79
  
80
  
81
  
82
  
83
  
84
  
85
  
86
  
87
  
88
  
89
  
90
  
91
  
92
  
93
  
94
  
95
  
96
  
97
  
98
  
99
  
100
  
101
  
102
  
103
  
104
  
105
  
106
  
107
  
108
  
109
  
110
  
111
  
112
  
113
  
114
  
115
  
116
  
117
  
118
  
119
  
120
  
121
  
122
 

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;

  

 

  
1
  
2
  
3
  
4
  
5
  
6
  
7
  
8
  
9
 

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);
}

  

 

  
1
  
2
  
3
  
4
  
5
  
6
  
7
  
8
  
9
  
10
  
11
  
12
  
13
  
14
  
15
  
16
  
17
  
18
  
19
 

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 }
}

  

 

  
1
  
2
  
3
  
4
  
5
  
6
  
7
  
8
  
9
  
10
  
11
  
12
  
13
  
14
  
15
  
16
  
17
  
18
  
19
  
20
  
21
  
22
  
23
 

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;

  

 

  
1
  
2
  
3
  
4
  
5
  
6
  
7
  
8
  
9
  
10
  
11
  
12
  
13
  
14
  
15
  
16
  
17
  
18
  
19
  
20
  
21
  
22
  
23
  
24
  
25
  
26
  
27
  
28
  
29
  
30
  
31
  
32
  
33
  
34
 

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); }
}

  

 

  
1
  
2
  
3
  
4
  
5
  
6
  
7
  
8
  
9
  
10
  
11
  
12
  
13
  
14
  
15
  
16
  
17
  
18
  
19
  
20
  
21
  
22
  
23
  
24
  
25
  
26
  
27
  
28
  
29
  
30
  
31
  
32
  
33
 

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; } }
}

  

 

  
1
  
2
  
3
  
4
  
5
  
6
  
7
  
8
  
9
  
10
  
11
  
12
  
13
  
14
  
15
  
16
  
17
  
18
  
19
  
20
  
21
  
22
  
23
  
24
  
25
  
26
  
27
  
28
  
29
  
30
  
31
 

• 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。

四、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。
• 好了，今天的内容先扯到这，后续的内容陆续完善。如果以上内容有错字、流程缺失、或者不好理解以及描述错误，欢迎留言。互相学习、互相进步。

五、系列推荐

• Thread.start() ，它是怎么让线程启动的呢？
• Thread 线程，状态转换、方法使用、原理分析
• ReentrantLock之AQS原理分析和实践使用
• 什么是双端队列、延迟对列、阻塞队列，全是知识盲区！
• 90%的程序员，都没用过多线程和锁，怎么成为架构师？

文章来源: bugstack.blog.csdn.net，作者：Yao__Shun__Yu，版权归原作者所有，如需转载，请联系作者。

原文链接：bugstack.blog.csdn.net/article/details/110946298