你真的了解Java中的线程池吗

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2022-12-09
面试中经常被问到的线程池问题
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标签   Java多线程

Java中的线程池，相信大家都接触过或者使用过，它里面到底是怎么运作的，不知道大家有没有去实际了解过？这篇文章将带领大家去看看它内部结构和实现原理。

继承关系

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {}

public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService {}

public interface ExecutorService extends Executor {}

ThreadPoolExecutor实现的顶层接口是Executor。

顶层接口Executor提供了一种思想：将任务提交和任务执行进行解耦。用户无需关注如何创建线程，如何调度线程来执行任务，用户只需提供Runnable对象，将任务的运行逻辑提交到执行器(Executor)中，由Executor框架完成线程的调配和任务的执行部分。

1、ExecutorService接口增加了一些能力：

  • 扩充执行任务的能力，补充可以为一个或一批异步任务生成Future的方法；
  • 提供了管控线程池的方法，比如停止线程池的运行。

2、AbstractExecutorService则是上层的抽象类，将执行任务的流程串联了起来，保证下层的实现只需关注一个执行任务的方法即可。

3、最下层的实现类ThreadPoolExecutor实现最复杂的运行部分

  • ThreadPoolExecutor将会一方面维护自身的生命周期，另一方面同时管理线程和任务，使两者良好的结合从而执行并行任务。
  • ThreadPoolExecutor在内部实际上构建了一个生产者消费者模型，将线程和任务两者解耦，并不直接关联，从而良好的缓冲任务，复用线程。

线程池的运行主要分成两部分：任务管理、线程管理。

任务管理部分充当生产者的角色，当任务提交后，线程池会判断该任务后续的流转：

  • 直接申请线程执行该任务；
  • 缓冲到队列中等待线程执行；
  • 拒绝该任务。

线程管理部分是消费者，它们被统一维护在线程池内，根据任务请求进行线程的分配，当线程执行完任务后则会继续获取新的任务去执行，最终当线程获取不到任务的时候，线程就会被回收。

线程池状态

线程池内部使用一个变量ctl来维护两个值：运行状态(runState)和线程数量 (workerCount)。

在具体实现中，线程池将运行状态(runState)、线程数量 (workerCount)两个关键参数的维护放在了一起。ctl是一个AtomicInteger类型，高3位保存runState，低29位保存workerCount，两个变量之间互不干扰。用一个变量去存储两个值，可避免在做相关决策时，出现不一致的情况，不必为了维护两者的一致，而占用锁资源。

通过阅读线程池源代码也可以发现，经常出现要同时判断线程池运行状态和线程数量的情况。线程池也提供了若干方法去供用户获得线程池当前的运行状态、线程个数。这里都使用的是位运算的方式，相比于基本运算，速度也会快很多。

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;

// 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;

// Packing and unpacking ctl
private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

任务调度机制

一般我们使用线程池，都是直接调用它的execute方法，代码如下：

public void execute(Runnable command) {
  if (command == null)
    throw new NullPointerException();
  /*
   * Proceed in 3 steps:
   *
   * 1. If fewer than corePoolSize threads are running, try to
   * start a new thread with the given command as its first
   * task.  The call to addWorker atomically checks runState and
   * workerCount, and so prevents false alarms that would add
   * threads when it shouldn't, by returning false.
   *
   * 2. If a task can be successfully queued, then we still need
   * to double-check whether we should have added a thread
   * (because existing ones died since last checking) or that
   * the pool shut down since entry into this method. So we
   * recheck state and if necessary roll back the enqueuing if
   * stopped, or start a new thread if there are none.
   *
   * 3. If we cannot queue task, then we try to add a new
   * thread.  If it fails, we know we are shut down or saturated
   * and so reject the task.
   */ 
  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);
}

上面代码的主要逻辑如下：

  • 1、首先检测线程池运行状态，如果不是RUNNING，则直接拒绝，线程池要保证在RUNNING的状态下执行任务。
  • 2、如果workerCount < corePoolSize，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务。
  • 3、如果workerCount >= corePoolSize，且线程池内的阻塞队列未满，则将任务添加到该阻塞队列中。
  • 4、如果workerCount >= corePoolSize && workerCount < maximumPoolSize，且线程池内的阻塞队列已满，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务。
  • 5、如果workerCount >= maximumPoolSize，并且线程池内的阻塞队列已满, 则根据拒绝策略来处理该任务, 默认的处理方式是直接抛异常。

任务缓冲

任务缓冲模块是线程池能够管理任务的核心部分。线程池的本质是对任务和线程的管理，而做到这一点最关键的思想就是将任务和线程两者解耦，不让两者直接关联，才可以做后续的分配工作。

线程池中是以生产者消费者模式，通过一个阻塞队列来实现的。阻塞队列缓存任务，工作线程从阻塞队列中获取任务。

private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;

阻塞队列(BlockingQueue)是一个支持两个附加操作的队列。

这两个附加的操作是：

  • 在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。
  • 当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素。

1. BlockingQueue的核心方法

1、放入数据：

  • offer(anObject):表示如果可能的话,将anObject加到BlockingQueue里,即如果BlockingQueue可以容纳,则返回true,否则返回false.（本方法不阻塞当前执行方法的线程）
  • offer(E o, long timeout, TimeUnit unit),可以设定等待的时间，如果在指定的时间内，还不能往队列中加入BlockingQueue，则返回失败。
  • put(anObject):把anObject加到BlockingQueue里,如果BlockQueue没有空间,则调用此方法的线程被阻断直到BlockingQueue里面有空间再继续. 2、获取数据：
  • poll(time):取走BlockingQueue里排在首位的对象,若不能立即取出,则可以等time参数规定的时间,取不到时返回null;
  • poll(long timeout, TimeUnit unit)：从BlockingQueue取出一个队首的对象，如果在指定时间内，队列一旦有数据可取，则立即返回队列中的数据。否则知道时间超时还没有数据可取，返回失败。
  • take():取走BlockingQueue里排在首位的对象,若BlockingQueue为空,阻断进入等待状态直到BlockingQueue有新的数据被加入;
  • drainTo():一次性从BlockingQueue获取所有可用的数据对象（还可以指定获取数据的个数）， 通过该方法，可以提升获取数据效率；不需要多次分批加锁或释放锁。

2. 阻塞队列的实现

  1. ArrayBlockingQueue：基于数组实现的一个阻塞队列，在创建ArrayBlockingQueue对象时必须制定容量大小。并且可以指定公平性与非公平性，默认情况下为非公平的，即不保证等待时间最长的队列最优先能够访问队列。
  2. LinkedBlockingQueue：基于链表实现的一个阻塞队列，在创建LinkedBlockingQueue对象时如果不指定容量大小，则默认大小为Integer.MAX_VALUE。
  3. PriorityBlockingQueue：以上2种队列都是先进先出队列，而PriorityBlockingQueue却不是，它会按照元素的优先级对元素进行排序，按照优先级顺序出队，每次出队的元素都是优先级最高的元素。注意，此阻塞队列为无界阻塞队列，即容量没有上限（通过源码就可以知道，它没有容器满的信号标志），前面2种都是有界队列。
  4. DelayQueue：基于PriorityQueue，一种延时阻塞队列，DelayQueue中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素。DelayQueue也是一个无界队列，因此往队列中插入数据的操作（生产者）永远不会被阻塞，而只有获取数据的操作（消费者）才会被阻塞。

获取待执行任务

由上文的任务分配部分可知，任务的执行有两种可能：

  • 一种是任务直接由新创建的线程执行。
  • 另一种是线程从任务队列中获取任务然后执行，执行完任务的空闲线程会再次去从队列中申请任务再去执行。

第一种情况仅出现在线程初始创建的时候，第二种是线程获取任务绝大多数的情况。线程需要从任务缓存模块中不断地取任务执行，帮助线程从阻塞队列中获取任务，实现线程管理模块和任务管理模块之间的通信。这部分策略由getTask方法实现:

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这部分进行了多次判断，为的是控制线程的数量，使其符合线程池的状态。如果线程池现在不应该持有那么多线程，则会返回null值。工作线程Worker会不断接收新任务去执行，而当工作线程Worker接收不到任务的时候，就会开始被回收。

任务拒绝

任务拒绝模块是线程池的保护部分，线程池有一个最大的容量，当线程池的任务缓存队列已满，并且线程池中的线程数目达到maximumPoolSize时，就需要拒绝掉该任务，采取任务拒绝策略，保护线程池。

拒绝策略是一个接口，其设计如下：

public interface RejectedExecutionHandler {

    /**
     * Method that may be invoked by a {@link ThreadPoolExecutor} when
     * {@link ThreadPoolExecutor#execute execute} cannot accept a
     * task.  This may occur when no more threads or queue slots are
     * available because their bounds would be exceeded, or upon
     * shutdown of the Executor.
     *
     * <p>In the absence of other alternatives, the method may throw
     * an unchecked {@link RejectedExecutionException}, which will be
     * propagated to the caller of {@code execute}.
     *
     * @param r the runnable task requested to be executed
     * @param executor the executor attempting to execute this task
     * @throws RejectedExecutionException if there is no remedy
     */ 
    void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
}

线程池提供了以下几种策略：

  • 1、AbortPolicy：该策略是线程池的默认策略。使用该策略时，如果线程池队列满了丢掉这个任务并且抛出RejectedExecutionException异常。
  • 2、DiscardPolicy：如果线程池队列满了，会直接丢掉这个任务并且不会有任何异常。
  • 3、DiscardOldestPolicy：这个策略从字面上也很好理解，丢弃最老的。也就是说如果队列满了，会将最早进入队列的任务删掉腾出空间，再尝试加入队列。因为队列是队尾进，队头出，所以队头元素是最老的，因此每次都是移除对头元素后再尝试入队。
  • 4、CallerRunsPolicy：使用此策略，如果添加到线程池失败，那么调用线程（提交任务的线程）会自己去执行该任务，不会等待线程池中的线程去执行。

如果以上策略都不符合业务场景，那么可以自己定义一个拒绝策略，只要实现RejectedExecutionHandler接口，并且实现rejectedExecution方法就可以了。具体的逻辑就在rejectedExecution方法里去定义就OK了。

工作线程

线程池提供了一个工作线程任务的概念，对应实现类如下：

private final class Worker
  extends AbstractQueuedSynchronizer
  implements Runnable
{
     Worker(Runnable firstTask) {
    setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker 
    this.firstTask = firstTask;
    this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
  }
}

Worker这个工作线程，实现了Runnable接口，并持有一个线程thread，一个初始化的任务firstTask。

  • thread是在调用构造方法时通过ThreadFactory来创建的线程，可以用来执行任务；
  • firstTask用它来保存传入的第一个任务，这个任务可以有也可以为null。如果这个值是非空的，那么线程就会在启动初期立即执行这个任务，也就对应核心线程创建时的情况；如果这个值是null，那么就需要创建一个线程去执行任务列表（workQueue）中的任务，也就是非核心线程的创建。

线程池需要管理线程的生命周期，需要在线程长时间不运行的时候进行回收。线程池使用一张Hash表去持有线程的引用，这样可以通过添加引用、移除引用这样的操作来控制线程的生命周期。这个时候重要的就是如何判断线程是否在运行。

private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();

Worker是通过继承AQS，使用AQS来实现独占锁这个功能。没有使用可重入锁ReentrantLock，而是使用AQS，为的就是实现不可重入的特性去反应线程现在的执行状态。

  • lock方法一旦获取了独占锁，表示当前线程正在执行任务中。
  • 如果正在执行任务，则不应该中断线程。
  • 如果该线程现在不是独占锁的状态，也就是空闲的状态，说明它没有在处理任务，这时可以对该线程进行中断。
  • 线程池在执行shutdown方法或tryTerminate方法时会调用interruptIdleWorkers方法来中断空闲的线程，interruptIdleWorkers方法会使用tryLock方法来判断线程池中的线程是否是空闲状态；如果线程是空闲状态则可以安全回收。

执行任务

执行任务也就是执行工作线程，也就是Runnable的run方法，具体就是ThreadPoolExecutor的runWorker()方法：

final void runWorker(Worker w) {
  Thread wt = Thread.currentThread();
  Runnable task = w.firstTask;
  w.firstTask = null;
  w.unlock(); // allow interrupts 
  boolean completedAbruptly = true;
  try {
    while (task != null || (task = getTask()) != null) {
      w.lock();
      // If pool is stopping, ensure thread is interrupted; 
      // if not, ensure thread is not interrupted.  This 
      // requires a recheck in second case to deal with 
      // shutdownNow race while clearing interrupt 
      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();
        } catch (RuntimeException x) {
          thrown = x; throw x;
        } catch (Error x) {
          thrown = x; throw x;
        } catch (Throwable x) {
          thrown = x; throw new Error(x);
        } finally {
          afterExecute(task, thrown);
        }
      } finally {
        task = null;
        w.completedTasks++;
        w.unlock();
      }
    }
    completedAbruptly = false;
  } finally {
    processWorkerExit(w, completedAbruptly);
  }
}

上面代码的主要逻辑如下：

  • 1.while循环不断地通过getTask()方法获取任务。
  • 2.getTask()方法从阻塞队列中取任务。
  • 3.如果线程池正在停止，那么要保证当前线程是中断状态，否则要保证当前线程不是中断状态。
  • 4.执行任务。
  • 5.如果getTask结果为null则跳出循环，执行processWorkerExit()方法，销毁线程。

线程回收

线程池中线程的销毁依赖JVM自动的回收，线程池做的工作是根据当前线程池的状态维护一定数量的线程引用，防止这部分线程被JVM回收，当线程池决定哪些线程需要回收时，只需要将其引用消除即可。

Worker被创建出来后，就会不断地进行轮询，然后获取任务去执行，核心线程可以无限等待获取任务，非核心线程要限时获取任务。当Worker无法获取到任务，也就是获取的任务为空时，循环会结束，Worker会主动消除自身在线程池内的引用。

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
  if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted
    decrementWorkerCount();

  final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
  mainLock.lock();
  try {
    completedTaskCount += w.completedTasks;
    workers.remove(w);
  } finally {
    mainLock.unlock();
  }

  tryTerminate();

  int c = ctl.get();
  if (runStateLessThan(c, STOP)) {
    if (!completedAbruptly) {
      int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
      if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())
        min = 1;
      if (workerCountOf(c) >= min)
        return; // replacement not needed
    }
    addWorker(null, false);
  }
}

事实上，在这个方法中，将线程引用移出线程池就已经结束了线程销毁的部分。但由于引起线程销毁的可能性有很多，线程池还要判断是什么引发了这次销毁，是否要改变线程池的现阶段状态，是否要根据新状态，重新分配线程。

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