对于Java中 Thread 对象,同一个线程对象调用 start 方法后,会在执行完run 后走向终止(TERMINATED)状态,也就是说一个线程对象是不可以通过多次调用 start 方法重复执行 run 方法内容的。
详情可通过该链接了解:Java同一个线程对象能否多次调用start方法
问题:那 Java 线程池中是如何保证核心线程不会终止的呢?
接下来将通过源码分析线程池是如何保证核心线程不被终止的,在分析前需要了解 ThreadPoolExecutor中几个重要成员变量和方法,便于下面源码阅读:
ThreadPoolExecutor 成员变量和方法介绍
- ctl 原子整型变量
java
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
-
ctl 包含两个字段
-
workerCount:表示线程池中实际生效的线程数;
-
runState:表示线程池运行状态(注意和线程状态进行区分),线程池状态包括以下几种:
- RUNNING:可以接收新任务并可执行队列中的任务;
- SHUTDOWN:不接收新任务,但可执行队列中的任务;
- STOP:不接收新任务,不执行队列任务并且中断正在执行的任务;
- TIDYING:所有任务已终止,workerCount 为0,将会运行钩子方法 terminated;
- TERMINATED:terminated 方法调用完成的状态。
-
- 线程池中实际生效线程的最大容量
arduino
//Integer.SIZE等于32
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
//实际有效线程的最大容量
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
- 实际生效最大线程数为 2 29 − 1 2^{29} - 1 229−1
- 为何使用int类型是因为相对于long运行的更快一点,如果将来int不够用,可以使用AtomicLong代替。
- 线程池运行状态
arduino
// runState is stored in the high-order bits
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;
这里我们仅需要知道只有运行(RUNNING)状态是小于0的,其他状态下都是大于等于0的。
- 获取线程池运行状态
arduino
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
方法入参 c 即为 ctl,通过该方法位运算可以得到线程池的状态值,并与 3 中的状态进行比较来进行逻辑处理。
- 获取线程池中当前实际有效的线程数量
arduino
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
同上,方法入参 c 为 ctl 原子整形变量,通过位运算得到线程池中实际的线程数 workCount。
- 工作线程集合
swift
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
线程池中每一个有效线程都会被包装为 Worker 对象。
- Worker 内部类
scala
private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable
- 类 Worker 主要用于维护运行任务线程的中断控制状态;
- 继承 AQS 实现了一个简单的不可重入互斥锁,而不是使用可重入锁,因为不希望工作任务在调用setCorePoolSize之类的池控制方法时能够重新获取锁;
- 为了在线程真正开始运行任务之前禁止中断,将锁状态初始化为负值,并在启动时清除它(runWorker中)。
- 其他如 corePoolSize、maximumPoolSize、threadFactory、workQueue等就不做赘述了。
案例分析
该案例不执行 shutdown 方法,这样可以保证线程池一直处于运行状态(RUNNING)
ini
public static void main(String[] args) {
ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(2, 2,
0, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(6),
Executors.defaultThreadFactory(), new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
for (int i = 0; i < 8; i++) {
int num = i;
threadPoolExecutor.execute(() -> {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(threadName + " - " + num);
System.out.println(threadName + " 开始睡眠...");
try {
//暂缓线程执行
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(threadName +" 结束睡眠...");
});
}
//threadPoolExecutor.shutdown();
}
跟踪 execute 方法源码,查看核心线程是如何被加添到池中的:
scss
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
//获取线程池控制状态
int c = ctl.get();
//通过workerCountOf计算出实际线程数
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
//未超过核心线程数,则新增 Worker 对象,true表示核心线程
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
//核心线程满了,如果线程池处于运行状态则往队列中添加任务
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
//双重检测池是否处于运行状态
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
} else if (!addWorker(command, false))//添加非核心线程
reject(command);
}
根据方法内容和断点跟踪可以得出以下结论:
- 核心线程数未超过 corePoolSize,每添加新的任务(command),都会创建新的线程(Worker中创建),即使有空闲线程存在;
- 核心线程数等于corePoolSize后,如果继续添加新的任务(command),会将任务添加到阻塞队列 workQueue 中,等待调度;
- 如果添加到队列失败,则检查 corePoolSize 是否小于 maximumPoolSize,如果小于则创建新的线程执行任务,直到线程总数 等于 maximumPoolSize;
- 当线程数等于 maximumPoolSize 并且队列已满了,后续新增任务将会触发线程饱和策略。
上面代码中我们关心 addWorker 方法,它有两个参数,第一个是 Runnable 对象,第二参数是标记是否核心线程,true为核心线程,接下来看下源码:
ini
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
// 省略部分代码
......
for (;;) {
//core主要用于判断是否继续创建新线程
int wc = workerCountOf(c);
//workCount 大于总容量或者workCount大于核心线程或最大线程将直接返回
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
//通过CAS将c加1,也就是将workCount加1 if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
retry inner loop
}
}
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
//创建新线程
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
//省略部分代码
......
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
......
if (workerAdded) {
//启动线程
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
从 addWorker 方法中,可以看到从 Worker 对象中获取到线程对象 t ,并调用 start 方法启动线程,那这个 t 线程是如何来的呢? 扩展:java retry:详解
接下来要看下 Worker 是如何创建线程的:
scala
private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable {
final Thread thread;
/**初始执行任务,有可能为空*/
Runnable firstTask;
/**使用firstTask和来自线程工厂中的线程创建了 Worker 对象*/
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
/**将run方法委托给runWorker执行*/
public void run() {
runWorker(this);
}
}
Worker 类实现 Runnable 接口, Worker 类的构造方法中 this.thread = getThreadFactory().newThread(this)比较关键,这行代码的意思是说使用当前 Worker 对象创建了一个线程,那其实也就是说 thread 对象和 当前 Worker 对象中调用的 run 方法是一样的。到这一步我们可以得出上一步 addWorker 方法中的 t.start 调用的其实就是 Worker 类中的 run方法。
那 runWorker 又是如何运行的呢?
ini
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
//获取要执行的任务
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
//轮询调用 getTask 用于获取任务
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
w.lock();
//省略部分代码
......
//执行run方法
task.run();
//省略部分代码
......
}
}
runWorker 中使用 while 循环,不断调用 getTask 去获取新任务。
最后看下 getTask 方法做了哪些事:
ini
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false;
//无限循环
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 检查队列是否为空
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
//获取运行线程数,根据allowCoreThreadTimeOut决定是否允许定时等待
int wc = workerCountOf(c);
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
//线程超时并且队列为空时通过CAS将实际运行线程数减1
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
try {
//允许超时则调用队列的poll方法定时等待
//否则调用take获取任务
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
//获取任务,返回结果
if (r != null)
return r;
//继续循环,并且置超时标识为true
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}
通过以上源码可以看出:
-
在for无限循环中,通过不断的检查线程池状态和队列容量,来获取可执行任务;
-
在 Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take();代码中,分为两种情况
- timed 为 true,允许淘汰 Worker,即实际运行的线程,则通过 workQueue.poll的方式定时等待拉取任务,如果在指定keepAliveTime时间内获取任务则返回,如果没有任务则继续for循环并直到timed等于false;
- timed 为 false,则会调用 workQueue.take 方法,队列中 take 方法的含义是当队列有任务时,立即返回队首任务,没有任务时则一直阻塞当前线程,直到有新任务才返回。
下面简单画了一下核心线程的序列图:
结论
线程池当未调用 shutdown 方法时,是通过队列的 take 方法阻塞核心线程(Worker)的 run 方法从而保证核心线程不被销毁的。