说明

线程池作为常用的并发工具重要性不言而喻，本文针对线程池进行了抽丝剥茧般的深入解析，希望大家看后会有帮助。

1 ThreadPoolExecutor关系

2 结构

public ThreadPoolExecutor(    int corePoolSize,//核心线程数量int maximumPoolSize,//最大线程数long keepAliveTime,//超时时间,默认超出核心线程数量以外的线程空余存活时间TimeUnit unit,//存活时间单位BlockingQueue<Runnable> workQueue,//保存执行任务的队列ThreadFactory threadFactory,//创建新线程使用的工厂RejectedExecutionHandler handler//当任务无法执行的时候的处理方式) {if (corePoolSize < 0 ||maximumPoolSize <= 0 ||maximumPoolSize < corePoolSize ||keepAliveTime < 0)throw new IllegalArgumentException();if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)throw new NullPointerException();this.acc = System.getSecurityManager() == null ?null :AccessController.getContext();this.corePoolSize = corePoolSize;this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;this.workQueue = workQueue;this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);this.threadFactory = threadFactory;this.handler = handler;
}

其实在线程池初始化时是不创建线程的，当执行任务会创建核心线程，当任务执行完后，核心线程会挂起等待，当再次有任务执行时，这些核心线程就会执行新的任务，从而实现了线程复用的效果。

3 线程池执行过程

3.1 执行流程图

3.2 运行状态

运行状态	状态描述
RUNNING	能够处理新提交的任务，也能处理阻塞队列中的任务
SHUTDOWN	不能处理新提交的任务，但能处理阻塞队列中的任务
STOP	不能处理新提交任务，也不处理队列中任务，会中断正在处理任务的线程
TIDYING	所有任务都终止了，workerCount(有效线程为0)
TERMINATED	在terminated()方法执行完后进入该状态

线程池使用了一个ctl变量来维护运行状态(runState)和worker数量 (workerCount)两个值。高3位保存runState，低29位保存workerCount。

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。

// 1. `ctl`，可以看做一个int类型的数字，高3位表示线程池状态，低29位表示worker数量
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

关于内部封装的获取生命周期状态、获取线程池线程数量的计算方法如以下代码所示：

// `runStateOf()`，获取线程池状态，通过按位与操作，低29位将全部变成0
private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
// `workerCountOf()`，获取线程池worker数量，通过按位与操作，高3位将全部变成0
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
// `ctlOf()`，根据线程池状态和线程池worker数量，生成ctl值
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

3.3 状态的转化

3.4 阻塞队列成员

3.5 拒绝策略

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 {void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);
}

用户可以通过实现这个接口去定制拒绝策略，也可以选择JDK提供的四种已有拒绝策略

4 源码解析

4.1 常用变量的解释

// 1. `ctl`，可以看做一个int类型的数字，高3位表示线程池状态，低29位表示worker数量
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 2. `COUNT_BITS`，`Integer.SIZE`为32，所以`COUNT_BITS`为29
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
// 3. `CAPACITY`，线程池允许的最大线程数。1左移29位，然后减1，即为 2^29 - 1
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;// runState is stored in the high-order bits
// 4. 线程池有5种状态，按大小排序如下：RUNNING < SHUTDOWN < STOP < TIDYING < TERMINATED
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
// 5. `runStateOf()`，获取线程池状态，通过按位与操作，低29位将全部变成0
private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
// 6. `workerCountOf()`，获取线程池worker数量，通过按位与操作，高3位将全部变成0
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
// 7. `ctlOf()`，根据线程池状态和线程池worker数量，生成ctl值
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }/** Bit field accessors that don't require unpacking ctl.* These depend on the bit layout and on workerCount being never negative.*/
// 8. `runStateLessThan()`，线程池状态小于xx
private static boolean runStateLessThan(int c, int s) {return c < s;
}
// 9. `runStateAtLeast()`，线程池状态大于等于xx
private static boolean runStateAtLeast(int c, int s) {return c >= s;
}

4.2 提交任务的过程

public void execute(Runnable command) {if (command == null)throw new NullPointerException();int c = ctl.get();// worker数量比核心线程数小，直接创建worker执行任务if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {if (addWorker(command, true))return;c = ctl.get();}// worker数量超过核心线程数，但任务队列未满，任务直接进入队列if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {int recheck = ctl.get();// 线程池状态不是RUNNING状态，说明执行过shutdown命令，需要对新加入的任务执行reject()操作。// 这儿为什么需要recheck，是因为任务入队列前后，线程池的状态可能会发生变化。if (! isRunning(recheck) && remove(command))//如果线程池处于非运行状态，并且把当前的任务从任务队列中移除成功，则拒绝该任务reject(command);// 这儿为什么需要判断0值，主要是在线程池构造方法中，核心线程数允许为0// 如果之前的线程已被销毁完，新建一个线程else if (workerCountOf(recheck) == 0)addWorker(null, false);}// 如果线程池不是运行状态，或者任务进入队列失败，则尝试创建worker执行任务。// 这儿有3点需要注意：// 1. 线程池不是运行状态时，addWorker内部会判断线程池状态// 2. addWorker第2个参数表示是否创建核心线程// 3. addWorker返回false，则说明任务执行失败，需要执行reject操作else if (!addWorker(command, false))reject(command);
}

4.3 addworker解析

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {//goto 语句,避免死循环retry:// 外层自旋for (;;) {int c = ctl.get();int rs = runStateOf(c);// 这个条件写得比较难懂，我对其进行了调整，和下面的条件等价// (rs > SHUTDOWN) || // (rs == SHUTDOWN && firstTask != null) || // (rs == SHUTDOWN && workQueue.isEmpty())// 1. 线程池状态大于SHUTDOWN时，直接返回false// 2. 线程池状态等于SHUTDOWN，且firstTask不为null，直接返回false// 3. 线程池状态等于SHUTDOWN，且队列为空，直接返回false//通俗的解释//(1). 线程池已经 shutdown 后，还要添加新的任务，拒绝//(2).（第二个判断）SHUTDOWN 状态不接受新任务，但仍然会执行已经加入任务队列的任//务，所以当进入SHUTDOWN 状态，而传进来的任务为空，并且任务队列不为空的时候，//是允许添加新线程的,如果把这个条件取反，就表示不允许添加 workerif (rs >= SHUTDOWN &&! (rs == SHUTDOWN &&firstTask == null &&! workQueue.isEmpty()))return false;// 内层自旋for (;;) {//获得 Worker 的工作线程数int wc = workerCountOf(c);// worker数量超过容量，直接返回falseif (wc >= CAPACITY ||wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))return false;// 使用CAS的方式增加worker数量。如果 cas 失败，则直接重试// 若增加成功，则直接跳出外层循环进入到第二部分if (compareAndIncrementWorkerCount(c))break retry;//再次获取 ctl 的值c = ctl.get();// //这里如果不想等，说明线程的状态发生了变化，继续重试if (runStateOf(c) != rs)continue retry;// 其他情况，直接内层循环进行自旋即可} }//上面这段代码主要是对 worker 数量做原子+1 操作,下面的逻辑才是正式构建一个 worker//工作线程是否启动的标识boolean workerStarted = false;//工作线程是否已经添加成功的标识boolean workerAdded = false;Worker w = null;try {//构建一个 Worker，这个 worker 是什么呢？我们可以看到构造方法里面传入了一个 Runnable 对象w = new Worker(firstTask);//从 worker 对象中取出线程final Thread t = w.thread;if (t != null) {final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;// worker的添加必须是串行的，因此需要加锁mainLock.lock();try {// Recheck while holding lock.// Back out on ThreadFactory failure or if// shut down before lock acquired.// 这儿需要重新检查线程池状态int rs = runStateOf(ctl.get());//只有当前线程池是正在运行状态,[或是 SHUTDOWN 且 firstTask 为空],才能添加到 workers集合中if (rs < SHUTDOWN ||(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {// worker已经调用过了start()方法，则不再创建workerif (t.isAlive()) // precheck that t is startablethrow new IllegalThreadStateException();// worker创建并添加到workers成功workers.add(w);// 更新`largestPoolSize`变量int s = workers.size();//如果集合中的工作线程数大于最大线程数，这个最大线程数表示线程池曾经出现过的最大线程数if (s > largestPoolSize)//更新线程池出现过的最大线程数largestPoolSize = s;//表示工作线程创建成功了workerAdded = true;}} finally {//释放锁mainLock.unlock();}//如果 worker 添加成功if (workerAdded) {//启动worker线程t.start();workerStarted = true;}}} finally {//如果添加失败，就需要做一件事，就是递减实际工作线程数(还记得我们最开始的时候增加了工作线程数吗)if (! workerStarted)addWorkerFailed(w);}return workerStarted;
}

4.4 addWorkerFailed的解析

此方法是在添加Worker和启动失败而做的处理工作。主要做了这几个逻辑：

如果worker已经构造好了，则从workers集合中移除这个worker
使用cas进行原子递减核心线程数（因为之前addWorker 方法中先做了cas原子增加）
尝试去关闭线程池

private void addWorkerFailed(Worker w) {final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;mainLock.lock();try {if (w != null)workers.remove(w);decrementWorkerCount();tryTerminate();} finally {mainLock.unlock();}
}

4.5 Work类的说明

可以看到在addWorker方法种，最核心的是构建了一个Worker类，然后将任务firstTask放入到Work中。添加成功的话则执行Worker的run方法
Worker类实现了继承了AbstractQueuedSynchronizer(AQS)类，实现了Runnable接口。
其中有两个成员属性尤为重要。

 final Thread thread;Runnable firstTask;

这两个属性是在通过Worker的构造方法中传入的

Worker(Runnable firstTask) {setState(-1); // inhibit interrupts until runWorkerthis.firstTask = firstTask;this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}

firstTask用它来保存传入的任务； thread是在调用构造方法时通过 ThreadFactory 来创建的
线程，是用来处理任务的线程。

在调用构造方法时，需要传入任务，这里通过 getThreadFactory().newThread(this);来新建
一个线程，newThread方法传入的参数是 this，因为Worker本身继承了Runnable接口，
也就是一个线程，所以在之前的addWorker方法中如果work添加到workers结合成功的话就会调用Worke类中的run方法。

Worker 继承了 AQS，使用 AQS 来实现独占锁的功能。为什么不使用 ReentrantLock 来实
现呢？可以看到 tryAcquire 方法，它是不允许重入的，而 ReentrantLock 是允许重入的：
lock 方法一旦获取了独占锁，表示当前线程正在执行任务中；那么它会有以下几个作用

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。
之所以设置为不可重入，是因为我们不希望任务在调用像 setCorePoolSize 这样的线程池控制方法时重新获取锁，这样会中断正在运行的线程

4.6 Worker类的解析

private final class Workerextends AbstractQueuedSynchronizerimplements Runnable
{//真正执行task任务的线程，可知是在构造函数中由ThreadFactory创建的final Thread thread;//需要执行的任务taskRunnable firstTask;//完成的任务数，用于线程池统计volatile long completedTasks;Worker(Runnable firstTask) {//初始状态 -1,防止在调用 runWorker()，也就是真正执行 task前中断 thread。setState(-1); //提交的任务this.firstTask = firstTask;// 这儿是Worker的关键所在，使用了线程工厂创建了一个线程。传入的参数为当前workerthis.thread = getThreadFactory().newThread(this);}//执行任务public void run() {runWorker(this);}// 省略...
}

4.7 runWorker方法解析

由以上可知Worker类中的run方法，也就是runWorker方法，是实现执行任务的真正逻辑。主要做了这几种逻辑。

获取Worker中的firstTask任务，不为空则执行任务
如果firstTask为空，则执行getTask方法去阻塞队列中获取任务，获取到则执行。
当任务执行完后，在while循环中继续执行getTask方法

final void runWorker(Worker w) {Thread wt = Thread.currentThread();Runnable task = w.firstTask;w.firstTask = null;// unlock，表示当前 worker 线程允许中断，// 因为 new Worker 默认的 state=-1,此处是调用// Worker 类的 tryRelease()方法，将 state 置为 0，// 而 interruptIfStarted()中只有 state>=0 才允许调用中断w.unlock(); // 这个变量用于判断是否进入过自旋（while循环）boolean completedAbruptly = true;try {// 这儿是自旋// 1. 如果firstTask不为null，则执行firstTask；// 2. 如果firstTask为null，则调用getTask()从队列获取任务。// 3. 阻塞队列的特性就是：当队列为空时，当前线程会被阻塞等待while (task != null || (task = getTask()) != null) {// 这儿对worker进行加锁，是为了达到下面的目的// 1. 降低锁范围，提升性能// 2. 保证每个worker执行的任务是串行的w.lock();// 线程池为 stop状态时不接受新任务，不执行已经加入任务队列的任务，还中断正在执行的任务//所以对于 stop 状态以上是要中断线程的//(Thread.interrupted() &&runStateAtLeast(ctl.get(), STOP)确保线程中断标志位为 true 且是 stop 状态以上，接着清除了中断标志//!wt.isInterrupted()则再一次检查保证线程需要设置中断标志位if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||(Thread.interrupted() &&runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&!wt.isInterrupted())wt.interrupt();// 执行任务，且在执行前后通过`beforeExecute()`和`afterExecute()`来扩展其功能。// 这两个方法在当前类里面为空实现。可以自己进行重写try {beforeExecute(wt, task);Throwable thrown = null;try {//执行任务中的 run 方法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 {//将task为null，这样当下次循环时，就需要再通过getTask()获取。task = null;//记录该 Worker 完成任务数量加1w.completedTasks++;//解锁w.unlock();}}completedAbruptly = false;} finally {// 自旋操作被退出，说明线程池正在结束processWorkerExit(w, completedAbruptly);}
}

4.8 getTask方法解析

每个worker都会执行getTask从阻塞队列中拿取任务，这是一个典型的消费者的角色。根据线程池中的线程数来判断是拿取任务方法是poll有超时，还是take一直阻塞，从而实现核心线程的复用和最大线程的回收。

private Runnable getTask() {boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?//进行自循环for (;;) {int c = ctl.get();int rs = runStateOf(c);//对线程池状态的判断，两种情况会 workerCount-1，并且返回 null//1. 线程池状态为 shutdown，且 workQueue 为空（反映了 shutdown 状态的线程池还是//要执行 workQueue 中剩余的任务的）//2. 线程池状态为 stop（shutdownNow()会导致变成 STOP）（此时不用考虑 workQueue的情况）if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {//将工作线程数减1decrementWorkerCount();//返回null，此线程就会结束return null;}//获取工作线程数    int wc = workerCountOf(c);//timed变量的含义是，//如果我们自己设置了allowCoreThreadTimeOut为true(默认false)，//或者工作线程池大于了核心线程数.//那么就会进行超时的控制boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;//线程数量超过 maximumPoolSize 可能是线程池在运行时被调用了 setMaximumPoolSize()//被改变了大小，否则已经 addWorker()成功不会超过 maximumPoolSize//timed && timedOut 如果为 true，表示当前操作需要进行超时控制，并且上次从阻塞队列中//获取任务发生了超时.其实就是体现了空闲线程的存活时间if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())){if (compareAndDecrementWorkerCount(c))return null;continue;}try {//根据 timed 来判断，如果为 true，则通过阻塞队列 poll 方法进行超时控制，如果在//keepaliveTime 时间内没有获取到任务，则返回 null.//如果为 false，则通过 take 方法阻塞式获取队列中的任务Runnable r = timed ?workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :workQueue.take();//如果任务存在不为空，则返回给上一个addWorker方法进行执行。if (r != null)return r;//如果为true，说明超时了也没去到任务，在下次循环时就会返回null结束。timedOut = true;} catch (InterruptedException retry) {// 如果获取任务时当前线程发生了中断，则设置 timedOut 为false 并返回循环重试timedOut = false;}}
}

由上述分析可知此方法的核心逻辑在于控制线程池的线程数量。

在执行 execute 方法时，如果当前线程池的线程数量超过了 corePoolSize 且小于maximumPoolSize，并且 workQueue 已满时，则可以增加工作线程，但这时如果超时没有获取到任务，也就是 timedOut 为 true 的情况，说明 workQueue 已经为空了，也就说明了当前线程池中不需要那么多线程来执行任务了，可以把多于 corePoolSize 数量的线程销毁掉，保持线程数量在 corePoolSize 即可。

什么时候会销毁？当然是 runWorker 方法执行完之后，也就是 Worker 中的 run 方法执行
完，由 JVM 自动回收。
getTask 方法返回 null 时，在 runWorker 方法中会跳出 while 循环，然后会执行
processWorkerExit 方法。

processWorkerExit方法解析

在runWorker方法中，while中的task或者getTask方法为null后会执行processWorkerExit

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {//completedAbruptly为true，说明task任务执行时也就是run方法发生了异常，则需要将工作线程数减1。//那么如果task任务正常执行的呢，那么在getTask方法中已经做了减1操作了。if (completedAbruptly) decrementWorkerCount();final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;mainLock.lock();try {//将worker中的任务完成数量汇总到线程池中的完成任务数量completedTaskCount += w.completedTasks;//将Set集合移除此workerworkers.remove(w);} finally {mainLock.unlock();}//尝试终止线程池，主要判断线程池是否满足终止状态条件，如果满足但还有线程，尝试进行中断。//没有线程的话 tidying状态改为terminated状态tryTerminate();int c = ctl.get();//如果状态是running、shutdown，即tryTerminate()没有成功终止线程池，尝试再添加一个workerif (runStateLessThan(c, STOP)) {//不是突然完成的，即没有task任务可以获取而完成的，计算min，并根据当前worker数量判断是否需要addWorker()if (!completedAbruptly) {//allowCoreThreadTimeOut默认为false，即min默认为corePoolSizeint min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize; //如果min为0，即不需要维持核心线程数量，且workQueue不为空，至少保持一个线程if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())min = 1;//如果线程数量大于最少数量，直接返回，否则下面至少要addWorker一个if (workerCountOf(c) >= min)return; // replacement not needed}//添加一个没有firstTask的worker//只要worker是completedAbruptly突然终止的，或者线程数量小于要维护的数量，//就新添一个worker线程，即使是shutdown状态addWorker(null, false);}
}

流程：

worker数量-1

A、如果是突然终止，说明是task执行时异常情况导致，即run()方法执行时发生了异常，那么正在工作的worker线程数量需要-1

B、如果不是突然终止，说明是worker线程没有task可执行了，不用-1，因为已经在getTask()方法中-1了
从Workers Set中移除worker，删除时需要上锁mainlock
tryTerminate()：在对线程池有负效益的操作时，都需要“尝试终止”线程池，大概逻辑：
判断线程池是否满足终止的状态

A、如果状态满足，但还有线程池还有线程，尝试对其发出中断响应，使其能进入退出流程

B、没有线程了，更新状态为tidying->terminated
是否需要增加worker线程，如果线程池还没有完全终止，仍需要保持一定数量的线程线程池状态是running 或 shutdown

A、如果当前线程是突然终止的，addWorker()

B、如果当前线程不是突然终止的，但当前线程数量 < 要维护的线程数量，addWorker()，故如果调用线程池shutdown()，直到workQueue为空前，线程池都会维持corePoolSize个线程，然后再逐渐销毁这corePoolSize个线程

4.9 reject(Runnable command)解析

回到execute(Runnable command)方法，发现当队列中的任务已满，线程也超过最大线程数时，会执行异常策略也就是reject(Runnable command)方法

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

逻辑很简单，执行RejectedExecutionHandler接口中的rejectedExecution方法。详细拒绝策略已在上文做介绍。

5 Executors提供的线程池

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,0L, TimeUnit.MILLISECONDS,new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {return new FinalizableDelegatedExecutorService(new ThreadPoolExecutor(1, 1,0L, TimeUnit.MILLISECONDS,new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}public static ExecutorService newCachedThreadPool() {return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,60L, TimeUnit.SECONDS,new SynchronousQueue<Runnable>());
}public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,new DelayedWorkQueue());
}

以上是Executors提供的常用的几种封装好的线程池，这几种需要注意

newFixedThreadPool，newSingleThreadExecutor 阻塞队列长度为Integer.MAX_VALUE
newCachedThreadPool最大线程数为Integer.MAX_VALUE
newScheduledThreadPool最大线程数为Integer.MAX_VALUE

所以这几种在使用时，要注意。阿里开发手册不建议使用这几种线程池，最好是自己定制。

参考资料

https://tech.meituan.com/2020/04/02/java-pooling-pratice-in-meituan.html

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