千锋扣丁学堂Java培训之线程池ThreadPoolExecutor实现原理详解

2019-07-26 14:02:10 3341浏览

今天千锋扣丁学堂Java培训老师给大家分享一篇关于线程池ThreadPoolExecutor实现原理详解，首先将分析Java线程池ThreadPoolExecutor的实现原理，掌握了实现原理能帮助你更好的优化程序的性能，避免很多错误用法。本文的代码量较少，主要讲原理，等你把原理完全弄明白了代码随便一写一大堆。

1.线程池的状态

首先，线程池是一个有状态的对象。状态有以下几种：

·RUNNING:运行中。此时线程池能接受任务，并且会处理队列中的任务；

·SHUTDOWN:关闭中。此时，线程池不接受新任务，但是会处理队列中的任务；

·STOP:停止。此时线程池不接受新任务，也不会处理队列中的任务，还会中断worker线程。

·TIDYING:清理中。所有任务都已终止且线程数等于0，开始调用terminated()。

·TERMINATED:终止。terminated()执行结束。

线程池的状态变化方式如下图所示。


2.线程池的内部组件

线程池的内部主要包含如下表所示组件。知道ThreadPoolExecutor内部包含哪些对象，基本就清楚线程池的实现原理了。注意，表中未给出largestPoolSize、completedTaskCount、keepAliveTime、corePoolSize和maximumPoolSize等参数。


3.线程池提交任务执行逻辑

之前的文章介绍过线程池中线程数和阻塞队列的变化关系。一般就是优先创建核心线程，然后存放在任务队列，再然后就是创建更多线程，如下图所示。


实际上，线程池ThreadPoolExecutor的提交方法，即execute()，就是按照这三个阶段执行的。提交分3步：首先，判断线程数是否小于核心线程数，如果小于，则立即创建一个worker并且直接把任务传入新创建的worker（任务不会进入阻塞队列），立即启动worker线程，函数返回；然后，若线程数大于核心线程数，则尝试把任务放入阻塞队列，如果成功则需要再判断一下线程池的状态是否为SHUTDOWN，并且也要判断一下worker线程数是否又变成0。如果变成SHUTDOWN，则需要把刚刚放入队列的任务拿出队列（因为突然发生的shutdown()调用），然后执行按照饱和策略处理（给handler）。如果线程数变成0，则需要重新再创建一个worker线程（刚才检查过的核心线程正好挂掉，如果不创建worker则线程池此时进入静止状态）；最后，如果放入阻塞队列失败，则创建非核心worker线程处理该任务。如果这个操作也失败，则把任务交给饱和策略（handler）处理。流程图如下：


注意：在每两个操作之间都要重新判断线程池的状态和线程数（中间有其他操作），这样才能保证ThreadPoolExecutor的线程安全性。由此可见，设计线程安全的类是很难的。

4.Worker线程的执行逻辑

线程池使用worker线程从队列取任务执行。当worker执行完一个任务，如果时间片还未用完，并且任务队列中也有任务，那么worker会继续取任务执行，这样可以减少不必要的切换。所以，我们可以猜测到Worker线程大致是一个循环。事实上，worker的确是一个循环，主体逻辑就是不断从队列取任务然后执行。除此以外，worker线程的执行代码还包含一些性能优化措施和容错逻辑，例如第一个任务直接放在worker中而不放入队列（所以worker每次先看自己的firstTask是否非空）；任务代码抛出异常导致线程终止后，重新创建一个线程以替换掉挂掉的这个线程等（见processWorkerExit方法的代码）。根据对ThreadPoolExecutor.runWorker代码的分析，得出worker的执行逻辑如下图所示：


要说明的是，当队列为空时getTask会阻塞；当调用了shutdown()之类的操作getTask会返回null，此时worker线程会判断是否需要执行清理操作。线程池的清理操作是由一个空闲worker线程完成的，且只有一个worker做清理工作，shutdown和shutdownNow只修改状态和发出通知。更进一步，即使把corePoolSize设为0以允许核心线程退出，线程池也至少保留一个线程用于做清理工作，只有关闭线程池之后，线程才全部退出。

每个worker其实是一个锁（通过继承AbstractQueuedSynchronizer），worker线程封装在这个worker内部。当worker开始运行之后，会对worker进行加锁动作，等任务执行完以后，再对worker执行解锁动作（这是为了避免线程池的中断信号影响任务代码，线程池通过给worker发中断，让阻塞在getTask上的worker线程被唤醒来）。所以，如果对这个worker执行tryLock操作成功，那么这个worker是空闲的。

那么keepAliveTime到哪里去了？实际上，它在getTask方法中。每个worker线程通过计时的等待方法poll(keepAliveTime,TimeUnit.NANOSECONDS)来获取任务。当poll返回之后，说明空闲时间已超过keepAliveTime时间。那么，核心线程与非核心线程如何区分？其实，线程池中的worker线程都是对等的，不区分核心和非核心线程。在每次从队列取任务之前，会先判断一下当前线程数，如果当前线程数大于corePoolSize，那么就用计时版本的poll取任务，此时这个worker线程是非核心线程；而如果小于等于corePoolSize，则用不限时间等待方法take从队列取任务，此时它是核心线程。

6.其他细节

worker线程执行任务前后会分别调用beforeExecute()和afterExecute()。

线程池在关闭之后会调用terminated()。

若要监控线程池状态：getPoolSize()、getActiveCount()、getLargestPoolSize()、getTaskCount()、getCompletedTaskCount()。

最后线程池其实可以改进的，我们不知道每个任务的执行时间长短，所以每个worker线程不区分runnable的大小，一般按照FIFO策略执行任务。如果使用合理的规划算法（动态规划），让时间片的利用率最大化，能进一步优化线程池的性能，不过这可能设计起来非常复杂。

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