【高并发】通过ThreadPoolExecutor类的源码深度解析线程池执行任务的核心流程

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冰 河 发表于 2022/09/21 09:54:44 2022/09/21
【摘要】 ThreadPoolExecutor是Java线程池中最核心的类之一，它能够保证线程池按照正常的业务逻辑执行任务，并通过原子方式更新线程池每个阶段的状态。

大家好，我是冰河~~

今天，我们通过ThreadPoolExecutor类的源码深度解析线程池执行任务的核心流程，小伙伴们最好是打开IDEA，按照冰河说的步骤，调试下ThreadPoolExecutor类的源码，这样会理解的更加深刻，好了，开始今天的主题。

核心逻辑概述

ThreadPoolExecutor是Java线程池中最核心的类之一，它能够保证线程池按照正常的业务逻辑执行任务，并通过原子方式更新线程池每个阶段的状态。

ThreadPoolExecutor类中存在一个workers工作线程集合，用户可以向线程池中添加需要执行的任务，workers集合中的工作线程可以直接执行任务，或者从任务队列中获取任务后执行。ThreadPoolExecutor类中提供了整个线程池从创建到执行任务，再到消亡的整个流程方法。本文，就结合ThreadPoolExecutor类的源码深度分析线程池执行任务的整体流程。

在ThreadPoolExecutor类中，线程池的逻辑主要体现在execute(Runnable)方法，addWorker(Runnable, boolean)方法，addWorkerFailed(Worker)方法和拒绝策略上，接下来，我们就深入分析这几个核心方法。

execute(Runnable)方法

execute(Runnable)方法的作用是提交Runnable类型的任务到线程池中。我们先看下execute(Runnable)方法的源码，如下所示。

public void execute(Runnable command) {
	//如果提交的任务为空，则抛出空指针异常
	if (command == null)
		throw new NullPointerException();
	//获取线程池的状态和线程池中线程的数量
	int c = ctl.get();
	//线程池中的线程数量小于corePoolSize的值
	if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
		//重新开启线程执行任务
		if (addWorker(command, true))
			return;
		c = ctl.get();
	}
	//如果线程池处于RUNNING状态，则将任务添加到阻塞队列中
	if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
		//再次获取线程池的状态和线程池中线程的数量，用于二次检查
		int recheck = ctl.get();
		//如果线程池没有未处于RUNNING状态，从队列中删除任务
		if (! isRunning(recheck) && remove(command))
			//执行拒绝策略
			reject(command);
		//如果线程池为空，则向线程池中添加一个线程
		else if (workerCountOf(recheck) == 0)
			addWorker(null, false);
	}
	//任务队列已满，则新增worker线程，如果新增线程失败，则执行拒绝策略
	else if (!addWorker(command, false))
		reject(command);
}

整个任务的执行流程，我们可以简化成下图所示。

接下来，我们拆解execute(Runnable)方法，具体分析execute(Runnable)方法的执行逻辑。

（1）线程池中的线程数是否小于corePoolSize核心线程数，如果小于corePoolSize核心线程数，则向workers工作线程集合中添加一个核心线程执行任务。代码如下所示。

//线程池中的线程数量小于corePoolSize的值
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
	//重新开启线程执行任务
	if (addWorker(command, true))
		return;
	c = ctl.get();
}

（2）如果线程池中的线程数量大于corePoolSize核心线程数，则判断当前线程池是否处于RUNNING状态，如果处于RUNNING状态，则添加任务到待执行的任务队列中。注意：这里向任务队列添加任务时，需要判断线程池是否处于RUNNING状态，只有线程池处于RUNNING状态时，才能向任务队列添加新任务。否则，会执行拒绝策略。代码如下所示。

if (isRunning(c) && workQueue.offer(command))

（3）向任务队列中添加任务成功，由于其他线程可能会修改线程池的状态，所以这里需要对线程池进行二次检查，如果当前线程池的状态不再是RUNNING状态，则需要将添加的任务从任务队列中移除，执行后续的拒绝策略。如果当前线程池仍然处于RUNNING状态，则判断线程池是否为空，如果线程池中不存在任何线程，则新建一个线程添加到线程池中，如下所示。

//再次获取线程池的状态和线程池中线程的数量，用于二次检查
int recheck = ctl.get();
//如果线程池没有未处于RUNNING状态，从队列中删除任务
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
	//执行拒绝策略
	reject(command);
//如果线程池为空，则向线程池中添加一个线程
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
	addWorker(null, false);

（4）如果在步骤（3）中向任务队列中添加任务失败，则尝试开启新的线程执行任务。此时，如果线程池中的线程数量已经大于线程池中的最大线程数maximumPoolSize，则不能再启动新线程。此时，表示线程池中的任务队列已满，并且线程池中的线程已满，需要执行拒绝策略，代码如下所示。

//任务队列已满，则新增worker线程，如果新增线程失败，则执行拒绝策略
else if (!addWorker(command, false))
	reject(command);

这里，我们将execute(Runnable)方法拆解，结合流程图来理解线程池中任务的执行流程就比较简单了。可以这么说，execute(Runnable)方法的逻辑基本上就是一般线程池的执行逻辑，理解了execute(Runnable)方法，就基本理解了线程池的执行逻辑。

注意：有关ScheduledThreadPoolExecutor类和ForkJoinPool类执行线程池的逻辑，在【高并发专题】系列文章中的后文中会详细说明，理解了这些类的执行逻辑，就基本全面掌握了线程池的执行流程。

在分析execute(Runnable)方法的源码时，我们发现execute(Runnable)方法中多处调用了addWorker(Runnable, boolean)方法，接下来，我们就一起分析下addWorker(Runnable, boolean)方法的逻辑。

addWorker(Runnable, boolean)方法

总体上，addWorker(Runnable, boolean)方法可以分为三部分，第一部分是使用CAS安全的向线程池中添加工作线程；第二部分是创建新的工作线程；第三部分则是将任务通过安全的并发方式添加到workers中，并启动工作线程执行任务。

接下来，我们看下addWorker(Runnable, boolean)方法的源码，如下所示。

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
	//标记重试的标识
	retry:
	for (;;) {
		int c = ctl.get();
		int rs = runStateOf(c);

		// 检查队列是否在某些特定的条件下为空
		if (rs >= SHUTDOWN &&
			! (rs == SHUTDOWN &&
			   firstTask == null &&
			   ! workQueue.isEmpty()))
			return false;
		//下面循环的主要作用为通过CAS方式增加线程的个数
		for (;;) {
			//获取线程池中的线程数量
			int wc = workerCountOf(c);
			//如果线程池中的线程数量超出限制，直接返回false
			if (wc >= CAPACITY ||
				wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
				return false;
			//通过CAS方式向线程池新增线程数量
			if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
				//通过CAS方式保证只有一个线程执行成功，跳出最外层循环
				break retry;
			//重新获取ctl的值
			c = ctl.get();  
			//如果CAS操作失败了，则需要在内循环中重新尝试通过CAS新增线程数量
			if (runStateOf(c) != rs)
				continue retry;
		}
	}
	
	//跳出最外层for循环，说明通过CAS新增线程数量成功
	//此时创建新的工作线程
	boolean workerStarted = false;
	boolean workerAdded = false;
	Worker w = null;
	try {
		//将执行的任务封装成worker
		w = new Worker(firstTask);
		final Thread t = w.thread;
		if (t != null) {
			//独占锁，保证操作workers时的同步
			final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
			mainLock.lock();
			try {
				//此处需要重新检查线程池状态
				//原因是在获得锁之前可能其他的线程改变了线程池的状态
				int rs = runStateOf(ctl.get());
				
				if (rs < SHUTDOWN ||
					(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
					if (t.isAlive())
						throw new IllegalThreadStateException();
					//向worker中添加新任务
					workers.add(w);
					int s = workers.size();
					if (s > largestPoolSize)
						largestPoolSize = s;
					//将是否添加了新任务的标识设置为true
					workerAdded = true;
				}
			} finally {
				//释放独占锁
				mainLock.unlock();
			}
			//添加新任成功，则启动线程执行任务
			if (workerAdded) {
				t.start();
				//将任务是否已经启动的标识设置为true
				workerStarted = true;
			}
		}
	} finally {
		//如果任务未启动或启动失败，则调用addWorkerFailed(Worker)方法
		if (! workerStarted)
			addWorkerFailed(w);
	}
	//返回是否启动任务的标识
	return workerStarted;
}

乍一看，addWorker(Runnable, boolean)方法还蛮长的，这里，我们还是将addWorker(Runnable, boolean)方法进行拆解。

（1）检查任务队列是否在某些特定的条件下为空，代码如下所示。

// 检查队列是否在某些特定的条件下为空
if (rs >= SHUTDOWN &&
	! (rs == SHUTDOWN &&
	   firstTask == null &&
	   ! workQueue.isEmpty()))
	return false;

（2）在通过步骤（1）的校验后，则进入内层for循环，在内层for循环中通过CAS来增加线程池中的线程数量，如果CAS操作成功，则直接退出双重for循环。如果CAS操作失败，则查看当前线程池的状态是否发生了变化，如果线程池的状态发生了变化，则通过continue关键字重新通过外层for循环校验任务队列，检验通过再次执行内层for循环的CAS操作。如果线程池的状态没有发生变化，此时上一次CAS操作失败了，则继续尝试CAS操作。代码如下所示。

for (;;) {
	//获取线程池中的线程数量
	int wc = workerCountOf(c);
	//如果线程池中的线程数量超出限制，直接返回false
	if (wc >= CAPACITY ||
		wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
		return false;
	//通过CAS方式向线程池新增线程数量
	if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
		//通过CAS方式保证只有一个线程执行成功，跳出最外层循环
		break retry;
	//重新获取ctl的值
	c = ctl.get();  
	//如果CAS操作失败了，则需要在内循环中重新尝试通过CAS新增线程数量
	if (runStateOf(c) != rs)
		continue retry;
}

（3）CAS操作成功后，表示向线程池中成功添加了工作线程，此时，还没有线程去执行任务。使用全局的独占锁mainLock来将新增的工作线程Worker对象安全的添加到workers中。

总体逻辑就是：创建新的Worker对象，并获取Worker对象中的执行线程，如果线程不为空，则获取独占锁，获取锁成功后，再次检查线线程的状态，这是避免在获取独占锁之前其他线程修改了线程池的状态，或者关闭了线程池。如果线程池关闭，则需要释放锁。否则将新增加的线程添加到工作集合中，释放锁并启动线程执行任务。将是否启动线程的标识设置为true。最后，判断线程是否启动，如果没有启动，则调用addWorkerFailed(Worker)方法。最终返回线程是否起送的标识。

//跳出最外层for循环，说明通过CAS新增线程数量成功
//此时创建新的工作线程
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
	//将执行的任务封装成worker
	w = new Worker(firstTask);
	final Thread t = w.thread;
	if (t != null) {
		//独占锁，保证操作workers时的同步
		final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
		mainLock.lock();
		try {
			//此处需要重新检查线程池状态
			//原因是在获得锁之前可能其他的线程改变了线程池的状态
			int rs = runStateOf(ctl.get());
			
			if (rs < SHUTDOWN ||
				(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
				if (t.isAlive())
					throw new IllegalThreadStateException();
				//向worker中添加新任务
				workers.add(w);
				int s = workers.size();
				if (s > largestPoolSize)
					largestPoolSize = s;
				//将是否添加了新任务的标识设置为true
				workerAdded = true;
			}
		} finally {
			//释放独占锁
			mainLock.unlock();
		}
		//添加新任成功，则启动线程执行任务
		if (workerAdded) {
			t.start();
			//将任务是否已经启动的标识设置为true
			workerStarted = true;
		}
	}
} finally {
	//如果任务未启动或启动失败，则调用addWorkerFailed(Worker)方法
	if (! workerStarted)
		addWorkerFailed(w);
}
//返回是否启动任务的标识
return workerStarted;

addWorkerFailed(Worker)方法

在addWorker(Runnable, boolean)方法中，如果添加工作线程失败或者工作线程启动失败时，则会调用addWorkerFailed(Worker)方法，下面我们就来看看addWorkerFailed(Worker)方法的实现，如下所示。

private void addWorkerFailed(Worker w) {
	//获取独占锁
	final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
	mainLock.lock();
	try {
		//如果Worker任务不为空
		if (w != null)
			//将任务从workers集合中移除
			workers.remove(w);
		//通过CAS将任务数量减1
		decrementWorkerCount();
		tryTerminate();
	} finally {
		//释放锁
		mainLock.unlock();
	}
}

addWorkerFailed(Worker)方法的逻辑就比较简单了，获取独占锁，将任务从workers中移除，并且通过CAS将任务的数量减1，最后释放锁。

拒绝策略

我们在分析execute(Runnable)方法时，线程池会在适当的时候调用reject(Runnable)方法来执行相应的拒绝策略，我们看下reject(Runnable)方法的实现，如下所示。

final void reject(Runnable command) {
	handler.rejectedExecution(command, this);
}

通过代码，我们发现调用的是handler的rejectedExecution方法，handler又是个什么鬼，我们继续跟进代码，如下所示。

private volatile RejectedExecutionHandler handler;

再看看RejectedExecutionHandler是个啥类型，如下所示。

package java.util.concurrent;

public interface RejectedExecutionHandler {

    void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
}

可以发现RejectedExecutionHandler是个接口，定义了一个rejectedExecution(Runnable, ThreadPoolExecutor)方法。既然RejectedExecutionHandler是个接口，那我们就看看有哪些类实现了RejectedExecutionHandler接口。

看到这里，我们发现RejectedExecutionHandler接口的实现类正是线程池默认提供的四种拒绝策略的实现类。

至于reject(Runnable)方法中具体会执行哪个类的拒绝策略，是根据创建线程池时传递的参数决定的。如果没有传递拒绝策略，则默认会执行AbortPolicy类的拒绝策略。否则会执行传递的类的拒绝策略。

在创建线程池时，除了能够传递JDK默认提供的拒绝策略外，还可以传递自定义的拒绝策略。如果想使用自定义的拒绝策略，则只需要实现RejectedExecutionHandler接口，并重写rejectedExecution(Runnable, ThreadPoolExecutor)方法即可。例如，下面的代码。

public class CustomPolicy implements RejectedExecutionHandler {

	public CustomPolicy() { }

	public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
		if (!e.isShutdown()) {
			System.out.println("使用调用者所在的线程来执行任务")
			r.run();
		}
	}
}

使用如下方式创建线程池。

new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                       60L, TimeUnit.SECONDS,
                       new SynchronousQueue<Runnable>(),
                       Executors.defaultThreadFactory(),
		       new CustomPolicy());

至此，线程池执行任务的整体核心逻辑分析结束。

好了，今天就到这儿吧，小伙伴们点赞、收藏、评论，一键三连走起呀，我是冰河，我们下期见~~

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