手写线程池，对照学习ThreadPoolExecutor线程池实现原理！

时间  2020-12-10
标签 html java git 程序员 github 面试 多线程 架构 并发 机器学习 栏目 HTML 繁體版
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做者：小傅哥
博客：https://bugstack.cn
Github：https://github.com/fuzhengwei/CodeGuide/wikihtml

沉淀、分享、成长，让本身和他人都能有所收获！😄java

1、前言

人看手机，机器学习！git

正好是2020年，看到这张图仍是蛮有意思的。之前小时候总会看到一些科技电影，讲到机器人会怎样怎样，但没想到人彷佛被娱乐化的东西，搞成了低头族、大肚子！程序员

当意识到这一点时，其实很是怀念小时候。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受累，但如今若是是放假的一天，你的娱乐安排，不少时候会让头很累！github

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

2、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！多线程

谢飞机：你问吧，我准备好了！！！架构

面试官：嗯，线程池状态是如何设计存储的？并发

谢飞机：这！下一个，下一个！机器学习

面试官：Worker 的实现类，为何不使用 ReentrantLock 来实现呢，而是本身继承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！

3、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();

这是一段用于建立线程池的例子，相信你已经用了不少次了。

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

那么，接下来咱们就经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，咱们先来按照线程池的思想，手写一个很是简单的线程池。

其实不少时候一段功能代码的核心主逻辑可能并无多复杂，但为了让核心流程顺利运行，就须要额外添加不少分支的辅助流程。就像我常说的，为了保护手才把擦屁屁纸弄那么大！

图 21-1 线程池简化流程

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

  1. 有n个一直在运行的线程，至关于咱们建立线程池时容许的线程池大小。
  2. 把线程提交给线程池运行。
  3. 若是运行线程池已满，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

以上，关于线程池的实现仍是很是简单的，从测试结果上已经能够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、队列仍是放弃。
  • addWorker，主要是类 Worker 的具体操做，建立并执行线程。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。但若是深思熟虑就会发现这里须要不少完善，好比：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，也正由于没有这些流程，因此上面的代码才更容易理解。

接下来，咱们就开始分析线程池的源码，与咱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

图 21-2 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。尤为是 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，全部的其余类和接口，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，是用于建立咱们经常使用的不一样策略的线程池，newFixedThreadPool、newCachedThreadPool、newScheduledThreadPool、newSingleThreadExecutor。

3.2 高3位与低29位

图 22-3 线程状态，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 线程池状态流转

图 22-4 是线程池中的状态流转关系，包括以下状态：

  • RUNNING：运行状态，接受新的任务而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，,可是要处理队列中的任务。
  • STOP：中止状态(调用了shutdownNow方法)。不接受新任务，也不处理队列中的任务，而且要中断正在处理的任务。
  • TIDYING：全部的任务都已终止了，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)

图 22-5 提交线程流程图

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，能够参考咱们本身实现的线程池。其实最终的目的都是同样的，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，最终须要使用方法 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 作对比，小于则进行添加线程到任务执行队列。
  • 若是说此时线程数已满，那么则须要判断线程池是否为运行状态 isRunning(c)。若是是运行状态则把不能被执行的线程放入线程队列中。
  • 放入线程队列之后，还须要从新判断线程是否运行以及移除操做，若是非运行且移除，则进行拒绝策略。不然判断线程数量为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。若是添加失败则进行拒绝策略。

3.5 添加执行任务(addWorker)

图 22-6 添加执行任务逻辑流程

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core)

第一部分、增长线程数量

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、建立启动线程

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能够分为两块看，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建立执行线程并启动。这部分代码在不看锁、CAS等操做，那么就和咱们最开始手写的线程池基本同样了

  • 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。而且当前状态为 SHUTDOWN、且传入的任务为 null，同时队列不为空。那么就返回 false。
  • compareAndIncrementWorkerCount，CAS 操做，增长线程数量，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，则须要进入加锁环节，建立执行线程，并记录状态。在最后若是判断没有启动成功，则须要执行 addWorkerFailed 方法，剔除到线程方法等操做。

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(); // 容许中断
    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，线程池在干吗。到这最核心的点就是 task.run() 让线程跑起来。额外再附带一些其余流程以下；

  • beforeExecute、afterExecute，线程执行的先后作一些统计信息。
  • 另外这里的锁操做是 Worker 继承 AQS 本身实现的不可重入的独占锁。
  • processWorkerExit，若是你感兴趣，相似这样的方法也能够深刻了解下。在线程退出时候workers作到一些移除处理以及完成任务数等，也很是有意思

3.7 队列获取任务(getTask)

若是你已经开始阅读源码，能够在 runWorker 方法中，看到这样一句循环代码 while (task != null || (task = getTask()) != null)。这与咱们手写线程池中操做的方式是同样的，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，若是工做线程数超过核心线程数量 corePoolSize 而且 workQueue 不为空，则增长工做线程。但若是超时未获取到线程，则会把大于 corePoolSize 的线程销毁掉。
  • timed，是 allowCoreThreadTimeOut 得来的。最终 timed 为 true 时，则经过阻塞队列的poll方法进行超时控制。
  • 若是在 keepAliveTime 时间内没有获取到任务，则返回null。若是为false，则阻塞。

4、总结

  • 这一章节并无彻底把线程池的全部知识点都介绍完，不然一篇内容会有些臃肿。在这一章节咱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咱们之前介绍过的内容，包括：队列、CAS、AQS、重入锁、独占锁等内容。因此这些知识也基本是环环相扣的，最好有一些根基不然会有些很差理解。
  • 除了本章介绍的，咱们尚未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中也有本身实现的线程池方法。这些知识点都很是贴近实际操做。
  • 好了，今天的内容先扯到这，后续的内容陆续完善。若是以上内容有错字、流程缺失、或者很差理解以及描述错误，欢迎留言。互相学习、互相进步。

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