[懷舊并發(fā)04]分析Java線程池執(zhí)行原理

Java并發(fā)編程源碼分析系列:

上一篇已經(jīng)對線程池的創(chuàng)建進行了分析,了解線程池既有預(yù)設(shè)的模板驼唱,也提供多種參數(shù)支撐靈活的定制。

本文將會圍繞線程池的生命周期铐尚,分析線程池執(zhí)行任務(wù)的過程。

線程池狀態(tài)

首先認(rèn)識兩個貫穿線程池代碼的參數(shù):

  • runState:線程池運行狀態(tài)
  • workerCount:工作線程的數(shù)量

線程池用一個32位的int來同時保存runState和workerCount哆姻,其中高3位是runState宣增,其余29位是workerCount。代碼中會反復(fù)使用runStateOf和workerCountOf來獲取runState和workerCount矛缨。

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;

// 線程池狀態(tài)
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;

// ctl操作
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; }
  • RUNNING:可接收新任務(wù)爹脾,可執(zhí)行等待隊列里的任務(wù)
  • SHUTDOWN:不可接收新任務(wù)帖旨,可執(zhí)行等待隊列里的任務(wù)
  • STOP:不可接收新任務(wù),不可執(zhí)行等待隊列里的任務(wù)灵妨,并且嘗試終止所有在運行任務(wù)
  • TIDYING:所有任務(wù)已經(jīng)終止解阅,執(zhí)行terminated()
  • TERMINATED:terminated()執(zhí)行完成

線程池狀態(tài)默認(rèn)從RUNNING開始流轉(zhuǎn),到狀態(tài)TERMINATED結(jié)束泌霍,中間不需要經(jīng)過每一種狀態(tài)货抄,但不能讓狀態(tài)回退。下面是狀態(tài)變化可能的路徑和變化條件:

圖1 線程池狀態(tài)變化路徑

Worker的創(chuàng)建

線程池是由Worker類負(fù)責(zé)執(zhí)行任務(wù)朱转,Worker繼承了AbstractQueuedSynchronizer蟹地,引出了Java并發(fā)框架的核心AQS。

AbstractQueuedSynchronizer藤为,簡稱AQS怪与,是Java并發(fā)包里一系列同步工具的基礎(chǔ)實現(xiàn),原理是根據(jù)狀態(tài)位來控制線程的入隊阻塞缅疟、出隊喚醒來處理同步分别。

Worker利用AQS的功能實現(xiàn)對獨占線程變量的設(shè)置,這是一個需要同步的過程存淫。AQS不會在這里展開討論茎杂,有興趣的同學(xué)可以去看分析CountDownLatch的實現(xiàn)原理,里面詳細(xì)介紹了AQS的實現(xiàn)原理纫雁。

調(diào)用execute將會根據(jù)線程池的情況創(chuàng)建Worker,可以歸納出下圖四種情況:

圖2 worker在線程池里的四種可能
public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();

    int c = ctl.get();
    //1
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
    //2
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        int recheck = ctl.get();
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            //3
            reject(command);
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            //4
            addWorker(null, false);
    }
    //5
    else if (!addWorker(command, false))
        //6
        reject(command);
}

標(biāo)記1對應(yīng)第一種情況倾哺,要留意addWorker傳入了core轧邪,core=true為corePoolSize,core=false為maximumPoolSize羞海,新增時需要檢查workerCount是否超過允許的最大值忌愚。

標(biāo)記2對應(yīng)第二種情況,檢查線程池是否在運行却邓,并且將任務(wù)加入等待隊列硕糊。標(biāo)記3再檢查一次線程池狀態(tài),如果線程池忽然處于非運行狀態(tài)腊徙,那就將等待隊列剛加的任務(wù)刪掉简十,再交給RejectedExecutionHandler處理。標(biāo)記4發(fā)現(xiàn)沒有worker撬腾,就先補充一個空任務(wù)的worker螟蝙。

標(biāo)記5對應(yīng)第三種情況,等待隊列不能再添加任務(wù)了民傻,調(diào)用addWorker添加一個去處理胰默。

標(biāo)記6對應(yīng)第四種情況场斑,addWorker的core傳入false,返回調(diào)用失敗牵署,代表workerCount已經(jīng)超出maximumPoolSize漏隐,那就交給RejectedExecutionHandler處理。


private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
        //1
        retry:
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);

            // Check if queue empty only if necessary.
            if (rs >= SHUTDOWN &&
                ! (rs == SHUTDOWN &&
                   firstTask == null &&
                   ! workQueue.isEmpty()))
                return false;

            for (;;) {
                int wc = workerCountOf(c);
                if (wc >= CAPACITY ||
                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                    return false;
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    break retry;
                c = ctl.get();  // Re-read ctl
                if (runStateOf(c) != rs)
                    continue retry;
                // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
            }
        }
        //2
        boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try {
            w = new Worker(firstTask);
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) {
                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
                mainLock.lock();
                try {
                    // Recheck while holding lock.
                    // Back out on ThreadFactory failure or if
                    // shut down before lock acquired.
                    int rs = runStateOf(ctl.get());

                    if (rs < SHUTDOWN ||
                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                            throw new IllegalThreadStateException();
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                if (workerAdded) {
                    t.start();
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w);
        }
        return workerStarted;
    }

標(biāo)記1的第一段代碼奴迅,目的很簡單青责,是為workerCount加一。至于為什么代碼寫了這么長半沽,是因為線程池的狀態(tài)在不斷變化爽柒,并發(fā)環(huán)境下需要保證變量的同步性。外循環(huán)判斷線程池狀態(tài)者填、任務(wù)非空和隊列非空浩村,內(nèi)循環(huán)使用CAS機制保證workerCount正確地遞增。不了解CAS可以看認(rèn)識非阻塞的同步機制CAS占哟,后續(xù)增減workerCount都會使用CAS心墅。

標(biāo)記2的第二段代碼,就比較簡單榨乎。創(chuàng)建一個新Worker對象怎燥,將Worker添加進workers里(Set集合)。成功添加后蜜暑,啟動worker里的線程铐姚。在finally里判斷線程是否啟動成功,不成功直接調(diào)用addWorkerFailed肛捍。

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

addWorkerFailed將減少已經(jīng)遞增的workerCount隐绵,并且調(diào)用tryTerminate結(jié)束線程池。

Worker的執(zhí)行

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

public void run() {
    runWorker(this);
}

Worker在構(gòu)造函數(shù)里采用ThreadFactory創(chuàng)建Thread拙毫,在run方法里調(diào)用了runWorker依许,看來是真正執(zhí)行任務(wù)的地方。

final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    w.unlock(); // allow interrupts
    boolean completedAbruptly = true;
    try {
       //1
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            w.lock();
           //2
            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                 (Thread.interrupted() &&
                  runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                !wt.isInterrupted())
                wt.interrupt();
            try {
               //3
                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;
                 //4
                w.completedTasks++;
                w.unlock();
            }
        }
        completedAbruptly = false;       //5
    } finally {
        //6
        processWorkerExit(w, completedAbruptly);
    }
}

標(biāo)記1進入循環(huán)缀蹄,從getTask獲取要執(zhí)行的任務(wù)峭跳,直到返回null。這里達到了線程復(fù)用的效果缺前,讓線程處理多個任務(wù)蛀醉。

標(biāo)記2是一個比較復(fù)雜的判斷,保證了線程池在STOP狀態(tài)下線程是中斷的衅码,非STOP狀態(tài)下線程沒有被中斷滞欠。如果你不了解Java的中斷機制,看如何正確結(jié)束Java線程這篇肆良。

標(biāo)記3調(diào)用了run方法筛璧,真正執(zhí)行了任務(wù)逸绎。執(zhí)行前后提供了beforeExecute和afterExecute兩個方法,由子類實現(xiàn)夭谤。

標(biāo)記4里的completedTasks統(tǒng)計worker執(zhí)行了多少任務(wù)棺牧,最后累加進completedTaskCount變量,可以調(diào)用相應(yīng)方法返回一些統(tǒng)計信息朗儒。

標(biāo)記5的變量completedAbruptly表示worker是否異常終止颊乘,執(zhí)行到這里代表執(zhí)行正常,后續(xù)的方法需要這個變量醉锄。

標(biāo)記6調(diào)用processWorkerExit結(jié)束乏悄,后面會分析。


接著來看worker從等待隊列獲取任務(wù)的getTask方法:

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

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

        //1
        // Check if queue empty only if necessary.
        if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
            decrementWorkerCount();
            return null;
        }

        int wc = workerCountOf(c);
        //2
        // 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;
        }
       //3
        try {
            Runnable r = timed ?
                workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                workQueue.take();
            if (r != null)
                return r;
            timedOut = true;
        } catch (InterruptedException retry) {
            timedOut = false;
        }
    }
}

標(biāo)記1檢查線程池的狀態(tài)恳不,這里就體現(xiàn)出SHUTDOWN和STOP的區(qū)別檩小。如果線程池是SHUTDOWN狀態(tài),還會先處理完等待隊列的任務(wù)烟勋;如果是STOP狀態(tài)规求,就不再處理等待隊列里的任務(wù)了。

標(biāo)記2先看allowCoreThreadTimeOut這個變量卵惦,false時worker空閑阻肿,也不會結(jié)束;true時沮尿,如果worker空閑超過keepAliveTime丛塌,就會結(jié)束。接著是一個很復(fù)雜的判斷畜疾,好難轉(zhuǎn)成文字描述姨伤,自己看吧。注意一下wc>maximumPoolSize庸疾,出現(xiàn)這種可能是在運行中調(diào)用setMaximumPoolSize,還有wc>1当编,在等待隊列非空時届慈,至少保留一個worker。

標(biāo)記3是從等待隊列取任務(wù)的邏輯忿偷,根據(jù)timed分為等待keepAliveTime或者阻塞直到有任務(wù)金顿。


最后來看結(jié)束worker需要執(zhí)行的操作:

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
   //1
    if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted
        decrementWorkerCount();

  //2
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        completedTaskCount += w.completedTasks;
        workers.remove(w);
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }

   //3
    tryTerminate();

    int c = ctl.get();
    //4
    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);
    }
}

正常情況下,在getTask里就會將workerCount減一鲤桥。標(biāo)記1處用變量completedAbruptly判斷worker是否異常退出揍拆,如果是,需要補充對workerCount的減一茶凳。

標(biāo)記2將worker處理任務(wù)的數(shù)量累加到總數(shù)嫂拴,并且在集合workers中去除播揪。

標(biāo)記3嘗試終止線程池,后續(xù)會研究猪狈。

標(biāo)記4處理線程池還是RUNNING或SHUTDOWN狀態(tài)時,如果worker是異常結(jié)束辩恼,那么會直接addWorker雇庙。如果allowCoreThreadTimeOut=true,并且等待隊列有任務(wù)灶伊,至少保留一個worker疆前;如果allowCoreThreadTimeOut=false,workerCount不少于corePoolSize聘萨。


總結(jié)一下worker:線程池啟動后竹椒,worker在池內(nèi)創(chuàng)建,包裝了提交的Runnable任務(wù)并執(zhí)行匈挖,執(zhí)行完就等待下一個任務(wù)碾牌,不再需要時就結(jié)束。

線程池的關(guān)閉

線程池的關(guān)閉不是一關(guān)了事儡循,worker在池里處于不同狀態(tài)舶吗,必須安排好worker的"后事",才能真正釋放線程池择膝。ThreadPoolExecutor提供兩種方法關(guān)閉線程池:

  • shutdown:不能再提交任務(wù)誓琼,已經(jīng)提交的任務(wù)可繼續(xù)運行;
  • shutdownNow:不能再提交任務(wù)肴捉,已經(jīng)提交但未執(zhí)行的任務(wù)不能運行腹侣,在運行的任務(wù)可繼續(xù)運行,但會被中斷齿穗,返回已經(jīng)提交但未執(zhí)行的任務(wù)傲隶。
public void shutdown() {
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        checkShutdownAccess();   //1 安全策略機制
        advanceRunState(SHUTDOWN);   //2
        interruptIdleWorkers();   //3
        onShutdown(); //4 空方法,子類實現(xiàn)
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
    tryTerminate();   //5
}

shutdown將線程池切換到SHUTDOWN狀態(tài)窃页,并調(diào)用interruptIdleWorkers請求中斷所有空閑的worker跺株,最后調(diào)用tryTerminate嘗試結(jié)束線程池。

public List<Runnable> shutdownNow() {
    List<Runnable> tasks;
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        checkShutdownAccess();
        advanceRunState(STOP);
        interruptWorkers();
        tasks = drainQueue();  //1
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
    tryTerminate();
    return tasks;
}

shutdownNow和shutdown類似脖卖,將線程池切換為STOP狀態(tài)乒省,中斷目標(biāo)是所有worker。drainQueue會將等待隊列里未執(zhí)行的任務(wù)返回畦木。

interruptIdleWorkers和interruptWorkers實現(xiàn)原理都是遍歷workers集合袖扛,中斷條件符合的worker。


上面的代碼多次出現(xiàn)調(diào)用tryTerminate十籍,這是一個嘗試將線程池切換到TERMINATED狀態(tài)的方法蛆封。

final void tryTerminate() {
    for (;;) {
        int c = ctl.get();
        //1
        if (isRunning(c) ||
            runStateAtLeast(c, TIDYING) ||
            (runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty()))
            return;
        //2
        if (workerCountOf(c) != 0) { // Eligible to terminate
            interruptIdleWorkers(ONLY_ONE);
            return;
        }
       //3
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {
                try {
                    terminated();
                } finally {
                    ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));
                    termination.signalAll();
                }
                return;
            }
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        // else retry on failed CAS
    }
}

標(biāo)記1檢查線程池狀態(tài)唇礁,下面幾種情況,后續(xù)操作都沒有必要娶吞,直接return垒迂。

  • RUNNING(還在運行,不能停)
  • TIDYING或TERMINATED(已經(jīng)沒有在運行的worker)
  • SHUTDOWN并且等待隊列非空(執(zhí)行完才能停)

標(biāo)記2在worker非空的情況下又調(diào)用了interruptIdleWorkers妒蛇,你可能疑惑在shutdown時已經(jīng)調(diào)用過了机断,為什么又調(diào)用,而且每次只中斷一個空閑worker绣夺?你需要知道吏奸,shutdown時worker可能在執(zhí)行中,執(zhí)行完阻塞在隊列的take陶耍,不知道要結(jié)束奋蔚,所有要補充調(diào)用interruptIdleWorkers。每次只中斷一個是因為processWorkerExit時烈钞,還會執(zhí)行tryTerminate泊碑,自動中斷下一個空閑的worker。

標(biāo)記3是最終的狀態(tài)切換毯欣。線程池會先進入TIDYING狀態(tài)馒过,再進入TERMINATED狀態(tài),中間提供了terminated這個空方法供子類實現(xiàn)酗钞。


調(diào)用關(guān)閉線程池方法后腹忽,需要等待線程池切換到TERMINATED狀態(tài)。awaitTermination檢查限定時間內(nèi)線程池是否進入TERMINATED狀態(tài)砚作,代碼如下:

public boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException {
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        for (;;) {
            if (runStateAtLeast(ctl.get(), TERMINATED))
                return true;
            if (nanos <= 0)
                return false;
            nanos = termination.awaitNanos(nanos);
        }
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
}

后言

以上過了一遍線程池主要的邏輯窘奏,總體來看線程池的設(shè)計是很清晰的。如有錯誤或不足葫录,歡迎指出着裹,也歡迎留言交流。今次介紹了線程池運行的生命周期米同,下篇會研究更細(xì)粒度地控制任務(wù)的生命周期骇扇,也就是submit和Future。

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