并发编程——线程池

叫我二蛋2023-09-23 11:17

文章目录

线程池介绍

Java构建线程的方式

  • new Thread
  • new Runnable
  • new Callable

为了避免频繁创建和销毁线程造成不必要的性能，一般在使用线程时，会采用线程池。

线程池使用方式：

java 复制代码 
public static void main(String[] args) {
    // 线程池的核心线程数如何设置
    // 任务可以分为两种：CPU密集，IO密集。
    ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
            1,
            2,
            1,
            TimeUnit.SECONDS,
            new ArrayBlockingQueue<>(1),
            new ThreadFactory() {
                @Override
                public Thread newThread(Runnable r) {
                    Thread t = new Thread(r);
                    // ...
                    return t;
                }
            },
            new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()
    );

    executor.execute(任务);
    executor.submit(有返回结果的任务);
}

线程池提供的拒绝策略：

  • AbortPolicy：抛出异常。
  • CallerRunsPolicy：让提交任务的线程处理这个任务。
  • DiscardPolicy：丢弃任务
  • DiscardOldestPolicy：扔掉队列最前面的任务，尝试把当前任务添加进去。

线程池核心属性

java 复制代码 
// AtomicInteger,就是一个int，写操作用CAS实现，保证了原子性
// ctl维护线程池的2个核心内容：
// 1：线程池状态（高3位，维护着线程池状态）
// 2：工作线程数量（核心线程+非核心线程，低29位，维护着工作线程个数）
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// COUNT_BITS=29
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// 工作线程的最大个数
// 00100000 00000000 00000000 00000000 - 1
// 000111111111111111111111111111111  
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;

// 拿到线程池状态
private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
// 拿到工作线程个数
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }

线程池状态

  1. RUNNING：正常运行的状态，接受新的任务，处理等待队列中的任务。线程池的初始化状态是RUNNING。一旦线程池被创建，就处于RUNNING状态，并且线程池中的任务数为0。
  2. SHUTDOWN：不接受新的任务提交，但是会继续处理等待队列中的任务。调用线程池的shutdown()方法时，线程池由RUNNING变为SHUTDOWN。
  3. STOP：不接受新的任务提交，不再处理等待队列中的任务，中断正在执行任务的线程。调用线程池的shutdownNow()方法时，线程池由(RUNNING or SHUTDOWN)变为STOP。
  4. TIDYING：所有的任务都销毁了，workCount为0，线程池的状态在转换为TIDYING状态时，会执行钩子方法terminated()。
  5. TERMINATED：线程池彻底终止。

核心方法

execute方法

通过execute方法，可以看到线程池处理任务的整体执行流程

java 复制代码 
public void execute(Runnable command) {
    
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    // 拿到ctl
    int c = ctl.get();
    // 通过ctl获取当前工作线程个数
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        // true：代表是核心线程，false：代表是非核心线程
        if (addWorker(command, true))
            // 如果添加核心线程成功，return结束掉
            return;
        // 如果添加失败，重新获取ctl
        c = ctl.get();
    }
    // 核心线程数已经到了最大值、添加时，线程池状态变为SHUTDOWN/STOP
    // 判断线程池是否是运行状态 && 添加任务到工作队列
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        // 再次获取ctl的值
        int recheck = ctl.get();
        // 再次判断线程池状态。  DCL
        // 如果状态不是RUNNING，把任务从工作队列移除。
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            // 走一波拒绝策略。
            reject(command);
        // 线程池状态是RUNNING。
        // 判断工作线程数是否是0个。
        // 可以将核心线程设置为0，所有工作线程都是非核心线程。
        // 核心线程也可以通过keepAlived超时被销毁，所以如果恰巧核心线程被销毁，也会出现当前效果
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            // 添加空任务的非核心线程去处理工作队列中的任务
            addWorker(null, false);
    }
    // 可能工作队列中的任务存满了，没添加进去，到这就要添加非核心线程去处理任务
    else if (!addWorker(command, false))
        // 执行拒绝策略！
        reject(command);
}

这个方法的主要逻辑是：

  1. 如果当前运行的线程数少于corePoolSize，尝试启动一个新线程并将给定的任务作为它的第一个任务。这个调用会原子性地检查runState和workerCount，以防止在不应该添加线程时发出错误警报。
  2. 如果任务可以成功排队，那么我们仍然需要再次检查是否应该添加一个新线程（因为自上次检查以来，现有的线程可能已经死亡），或者自进入此方法以来，线程池是否已经关闭。所以我们重新检查状态，并在必要时回滚排队，如果已停止，则启动一个新线程。
  3. 如果我们无法排队任务，那么我们尝试添加一个新线程。如果失败，我们知道已经关闭或饱和，所以拒绝任务。

addWorker添加工作线程

java 复制代码 
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
    xxx:
    for (;;) {
      
        int c = ctl.get();
        int rs = runStateOf(c);
        // 判断线程池状态
        if (rs >= SHUTDOWN &&
              // 判断如果线程池的状态为SHUTDOWN，还要处理工作队列中的任务
              // 如果你添加工作线程的方式，是任务的非核心线程，并且工作队列还有任务
            ! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty()))
            return false;

        // 判断工作线程个数
        for (;;) {
            
            int wc = workerCountOf(c);
            // 判断1：工作线程是否已经 == 工作线程最大个数
            // 判断2-true判断：判断是核心线程么？如果是判断是否超过核心线程个数
            // 判断2-false判断：如果是非核心线程，查看是否超过设置的最大线程数
            if (wc >= CAPACITY || wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                return false;
            // 对工作线程进行 + 1操作
            if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                // +1成功，跳出外层循环，执行添加工作线程的业务
                // 以CAS方式，对ctl+1，多线程并发操作，只有会有一个成功
                break xxx;
            // 重新拿ctl，
            c = ctl.get();
            // 判断线程池状态是否有变化
            if (runStateOf(c) != rs)
                continue xxx;
        }
    }

    // 添加工作线程的业务  
    boolean workerStarted = false;
    boolean workerAdded = false;
    // Worker就是工作线程
    Worker w = null;
    try {
        // 创建工作线程，将任务传到Worker中
        w = new Worker(firstTask);
        final Thread t = w.thread;
        // 只有你写的线程工厂返回的是null，这里才会为null
        if (t != null) {
            // 获取锁资源
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            // 加锁。  因为我要在启动这个工作线程时，避免线程池状态发生变化，加锁。
            mainLock.lock();
            try {
                // 重新获取ctl，拿到线程池状态
                int rs = runStateOf(ctl.get());
                // DCL i think you know~~~
                if (rs < SHUTDOWN ||
                    (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                   	// 判断Worker中的thread是否已经启动了，一般不会启动，除非你在线程工厂把他启动了
                    if (t.isAlive()) 
                        throw new IllegalThreadStateException();
                    // 将工作线程存储到hashSet中
                    workers.add(w);
                    // 获取工作线程个数，判断是否需要修改最大工作线程数记录。
                    int s = workers.size();
                    if (s > largestPoolSize)
                        largestPoolSize = s;
                    // 工作线程添加成功     0
                    workerAdded = true;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
            // 如果添加成功
            if (workerAdded) {
                // 启动工作线程
                t.start();
                // 设置标识为true
                workerStarted = true;
            }
        }
    } finally {
        // 如果工作线程启动失败
        if (! workerStarted)
            addWorkerFailed(w);
    }
    return workerStarted;
}

// 如果添加工作线程失败，执行
private void addWorkerFailed(Worker w) {
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        // 说明worker可能存放到了workers的hashSet中。
        if (w != null)
            // 移除！
            workers.remove(w);
        // 减掉workerCount的数值 -1
        decrementWorkerCount();
        // 尝试干掉自己
        tryTerminate();
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
}

这个方法的主要逻辑是：

  1. 检查是否正在关闭或已经关闭，如果是，根据是否有任务以及队列是否为空来决定是否返回false。
  2. 如果没有关闭，那么检查当前线程数是否超过了核心线程数或最大线程数，如果超过了则返回false。
  3. 如果没有超过线程数限制，那么通过CAS操作增加workerCount，如果成功则跳出循环。如果失败，则重新读取ctl并重新计算runState，如果runState发生变化则继续循环。如果未发生变化，则继续尝试增加workerCount。
  4. 创建Worker对象，并启动对应的线程。如果启动成功，则返回true。如果启动失败，则调用addWorkerFailed()方法处理失败情况。

runWorker执行任务

java 复制代码 
final void runWorker(Worker w) {
    // 拿到当前线程对象
    Thread wt = Thread.currentThread();
    // 拿到worker中存放的Runnable
    Runnable task = w.firstTask;
    // 将worker中的任务清空
    w.firstTask = null;
    boolean completedAbruptly = true;
    try {
        // 如果Worker自身携带任务，直接执行
        // 如果Worker携带的是null，通过getTask去工作队列获取任务
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            w.lock();
            // 判断线程池状态是否大于等于STOP，如果是要中断当前线程
            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                 // 中断当前线程（DCL）
                 (Thread.interrupted() && runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) && !wt.isInterrupted())
                wt.interrupt();
  
            try {
                // 前置钩子
                beforeExecute(wt, task);
                Throwable thrown = null;
                try {
                    // 执行任务
                    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 {
                    // 后置钩子
                    afterExecute(task, thrown);
                }
            } finally {
                task = null;
                // 当前工作执行完一个任务，就++
                w.completedTasks++;
                w.unlock();
            }
        }
        completedAbruptly = false;
    } finally {
        processWorkerExit(w, completedAbruptly);
    }
}

这个方法的主要逻辑是：

  1. 获取当前线程和任务。如果任务不为空，则执行任务。如果任务为空，则从任务队列中获取任务。如果获取任务失败，则退出循环。
  2. 在执行任务前，检查线程是否中断，如果中断则停止执行任务。如果未中断，则执行任务。如果抛出运行时异常或错误，则捕获并记录异常。如果抛出其他异常，则转换为错误并抛出。
  3. 在执行任务后，将任务设置为null，增加已完成任务数，并解锁worker。
  4. 如果循环结束时，任务为空，则说明任务队列已关闭或已空，将completedAbruptly设置为false。否则，说明任务队列中还有任务，将completedAbruptly保持为true。
  5. 最后，处理worker退出，根据completedAbruptly的值决定是否重置线程池状态。

getTask工作线程排队拿任务

java 复制代码 
private Runnable getTask() {
    boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?

    for (;;) {
        int c = ctl.get();
        int rs = runStateOf(c);

        // 线程池状态判断
        // 如果线程池状态为SHUTDOWN && 工作队列为空
        // 如果线程池状态为STOP
        if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
            // 对工作线程个数--
            decrementWorkerCount();
            return null;
        }

        // 对数量的判断。
        int wc = workerCountOf(c);

        // 判断核心线程是否允许超时？
        // 工作线程个数是否大于核心线程数
        boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;

        // 判断工作线程是否超过了最大线程数 && 工作队列为null
        if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
            // 工作线程数有问题，必须-1，干掉当前工作线程
            // 工作线程是否超过了核心线程，如果超时，就干掉当前线程
            // 对工作线程个数--
            if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                return null;
            continue;
        }

        try {
            // 如果是非核心，走poll，拉取工作队列任务，
            // 如果是核心线程，走take一直阻塞，拉取工作队列任务
            Runnable r = timed ?
                workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
            	// 当工作队列没有任务时，这时就会被Condition通过await阻塞线程
            	// 当有任务添加到工作线程后，这是添加完任务后，就会用过Condition.signal唤醒阻塞的线程
                workQueue.take();
            if (r != null)
                return r;
            // 执行的poll方法，并且在指定时间没拿到任务，
            timedOut = true;
        } catch (InterruptedException retry) {
            timedOut = false;
        }
    }
}

该方法的主要逻辑是：

  1. 检查线程池状态，如果线程池已经关闭或停止，并且任务队列为空，则减少worker数量并返回null。
  2. 检查worker数量是否超过了最大线程数或核心线程数，如果是，则减少worker数量并返回null。
  3. 如果worker数量未超过最大线程数或核心线程数，则从任务队列中获取任务。如果获取任务失败，则返回null。如果获取任务成功，则返回任务。
  4. 如果在获取任务时发生中断，则重新尝试获取任务。如果在指定的时间内无法获取任务，则将timedOut标志设置为true。如果在指定的时间内无法获取任务并且允许超时，则减少worker数量并返回null。
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