【原】面經(jīng)手冊 · 第21篇《手寫線程池，對照學習ThreadPoolExecutor線程池實現(xiàn)原理！》

小傅哥 2021-12-13

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作者：小傅哥
博客：https://
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沉淀、分享、成長，讓自己和他人都能有所收獲！😄

一、前言

人看手機，機器學習！

正好是2020年，看到這張圖還是蠻有意思的。以前小時候總會看到一些科技電影，講到機器人會怎樣怎樣，但沒想到人似乎被娛樂化的東西，搞成了低頭族、大肚子！

當意識到這一點時，其實非常懷念小時候。放假的早上跑出去，喊上三五個伙伴，要不下河摸摸魚、彈彈玻璃球、打打pia、跳跳房子！一天下來真的不會感覺累，但現(xiàn)在如果是放假的一天，你的娛樂安排，很多時候會讓頭很累！

就像，你有試過學習一天英語頭疼，還是刷一天抖音頭疼嗎？或者玩一天游戲與打一天球！如果你意識到了，那么爭取放下一會手機，適當娛樂，鍛煉保持個好身體！

二、面試題

謝飛機，小記！，上次吃虧在線程上，這可能一次坑掉兩次嗎！

謝飛機：你問吧，我準備好了！！！

面試官：嗯，線程池狀態(tài)是如何設計存儲的？

謝飛機：這！下一個，下一個！

面試官：Worker 的實現(xiàn)類，為什么不使用 ReentrantLock 來實現(xiàn)呢，而是自己繼承AQS？

謝飛機：我…！

面試官：那你簡述下，execute 的執(zhí)行過程吧！

謝飛機：再見！

三、線程池講解

1. 先看個例子

ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<>(10));
threadPoolExecutor.execute(() -> {
    System.out.println("Hi 線程池！");
});
threadPoolExecutor.shutdown();

// Executors.newFixedThreadPool(10);
// Executors.newCachedThreadPool();
// Executors.newScheduledThreadPool(10);
// Executors.newSingleThreadExecutor();

這是一段用于創(chuàng)建線程池的例子，相信你已經(jīng)用了很多次了。

線程池的核心目的就是資源的利用，避免重復創(chuàng)建線程帶來的資源消耗。因此引入一個池化技術的思想，避免重復創(chuàng)建、銷毀帶來的性能開銷。

那么，接下來我們就通過實踐的方式分析下這個池子的構造，看看它是如何處理線程的。

2. 手寫一個線程池

2.1 實現(xiàn)流程

為了更好的理解和分析關于線程池的源碼，我們先來按照線程池的思想，手寫一個非常簡單的線程池。

其實很多時候一段功能代碼的核心主邏輯可能并沒有多復雜，但為了讓核心流程順利運行，就需要額外添加很多分支的輔助流程。就像我常說的，為了保護手才把擦屁屁紙弄那么大！

圖 21-1 線程池簡化流程

關于圖 21-1，這個手寫線程池的實現(xiàn)也非常簡單，只會體現(xiàn)出核心流程，包括：

有n個一直在運行的線程，相當于我們創(chuàng)建線程池時允許的線程池大小。
把線程提交給線程池運行。
如果運行線程池已滿，則把線程放入隊列中。
最后當有空閑時，則獲取隊列中線程進行運行。

2.2 實現(xiàn)代碼

public class ThreadPoolTrader implements Executor {

    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(0);

    private volatile int corePoolSize;
    private volatile int maximumPoolSize;

    private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;

    public ThreadPoolTrader(int corePoolSize, int maximumPoolSize, BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
    }

    @Override
    public void execute(Runnable command) {
        int c = ctl.get();
        if (c < corePoolSize) {
            if (!addWorker(command)) {
                reject();
            }
            return;
        }
        if (!workQueue.offer(command)) {
            if (!addWorker(command)) {
                reject();
            }
        }
    }

    private boolean addWorker(Runnable firstTask) {
        if (ctl.get() >= maximumPoolSize) return false;

        Worker worker = new Worker(firstTask);
        worker.thread.start();
        ctl.incrementAndGet();
        return true;
    }

    private final class Worker implements Runnable {

        final Thread thread;
        Runnable firstTask;

        public Worker(Runnable firstTask) {
            this.thread = new Thread(this);
            this.firstTask = firstTask;
        }

        @Override
        public void run() {
            Runnable task = firstTask;
            try {
                while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                    task.run();
                    if (ctl.get() > maximumPoolSize) {
                        break;
                    }
                    task = null;
                }
            } finally {
                ctl.decrementAndGet();
            }
        }

        private Runnable getTask() {
            for (; ; ) {
                try {
                    System.out.println("workQueue.size：" + workQueue.size());
                    return workQueue.take();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    private void reject() {
        throw new RuntimeException("Error！ctl.count：" + ctl.get() + " workQueue.size：" + workQueue.size());
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadPoolTrader threadPoolTrader = new ThreadPoolTrader(2, 2, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10));

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            threadPoolTrader.execute(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(1500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("任務編號：" + finalI);
            });
        }
    }

}

// 測試結果

任務編號：1
任務編號：0
workQueue.size：8
workQueue.size：8
任務編號：3
workQueue.size：6
任務編號：2
workQueue.size：5
任務編號：5
workQueue.size：4
任務編號：4
workQueue.size：3
任務編號：7
workQueue.size：2
任務編號：6
workQueue.size：1
任務編號：8
任務編號：9
workQueue.size：0
workQueue.size：0

以上，關于線程池的實現(xiàn)還是非常簡單的，從測試結果上已經(jīng)可以把最核心的池化思想體現(xiàn)出來了。主要功能邏輯包括：

ctl，用于記錄線程池中線程數(shù)量。
corePoolSize、maximumPoolSize，用于限制線程池容量。
workQueue，線程池隊列，也就是那些還不能被及時運行的線程，會被裝入到這個隊列中。
execute，用于提交線程，這個是通用的接口方法。在這個方法里主要實現(xiàn)的就是，當前提交的線程是加入到worker、隊列還是放棄。
addWorker，主要是類 Worker 的具體操作，創(chuàng)建并執(zhí)行線程。這里還包括了 getTask() 方法，也就是從隊列中不斷的獲取未被執(zhí)行的線程。

好，那么以上呢，就是這個簡單線程池實現(xiàn)的具體體現(xiàn)。但如果深思熟慮就會發(fā)現(xiàn)這里需要很多完善，比如：線程池狀態(tài)呢，不可能一直奔跑呀！？、線程池的鎖呢，不會有并發(fā)問題嗎？、線程池拒絕后的策略呢？，這些問題都沒有在主流程解決，也正因為沒有這些流程，所以上面的代碼才更容易理解。

接下來，我們就開始分析線程池的源碼，與我們實現(xiàn)的簡單線程池參考對比，會更加容易理解😄！

3. 線程池源碼分析

3.1 線程池類關系圖

圖 21-2 線程池類關系圖

以圍繞核心類 ThreadPoolExecutor 的實現(xiàn)展開的類之間實現(xiàn)和繼承關系，如圖 21-2 線程池類關系圖。

接口 Executor、ExecutorService，定義線程池的基本方法。尤其是 execute(Runnable command) 提交線程池方法。
抽象類 AbstractExecutorService，實現(xiàn)了基本通用的接口方法。
ThreadPoolExecutor，是整個線程池最核心的工具類方法，所有的其他類和接口，為圍繞這個類來提供各自的功能。
Worker，是任務類，也就是最終執(zhí)行的線程的方法。
RejectedExecutionHandler，是拒絕策略接口，有四個實現(xiàn)類；AbortPolicy(拋異常方式拒絕)、DiscardPolicy(直接丟棄)、DiscardOldestPolicy(丟棄存活時間最長的任務)、CallerRunsPolicy(誰提交誰執(zhí)行)。
Executors，是用于創(chuàng)建我們常用的不同策略的線程池，newFixedThreadPool、newCachedThreadPool、newScheduledThreadPool、newSingleThreadExecutor。

3.2 高3位與低29位

圖 22-3 線程狀態(tài)，高3位與低29位

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;

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;

在 ThreadPoolExecutor 線程池實現(xiàn)類中，使用 AtomicInteger 類型的 ctl 記錄線程池狀態(tài)和線程池數(shù)量。在一個類型上記錄多個值，它采用的分割數(shù)據(jù)區(qū)域，高3位記錄狀態(tài)，低29位存儲線程數(shù)量，默認 RUNNING 狀態(tài)，線程數(shù)為0個。

3.2 線程池狀態(tài)

圖 22-4 線程池狀態(tài)流轉

圖 22-4 是線程池中的狀態(tài)流轉關系，包括如下狀態(tài)：

RUNNING：運行狀態(tài)，接受新的任務并且處理隊列中的任務。
SHUTDOWN：關閉狀態(tài)(調(diào)用了shutdown方法)。不接受新任務，,但是要處理隊列中的任務。
STOP：停止狀態(tài)(調(diào)用了shutdownNow方法)。不接受新任務，也不處理隊列中的任務，并且要中斷正在處理的任務。
TIDYING：所有的任務都已終止了，workerCount為0，線程池進入該狀態(tài)后會調(diào) terminated() 方法進入TERMINATED 狀態(tài)。
TERMINATED：終止狀態(tài)，terminated() 方法調(diào)用結束后的狀態(tài)。

3.3 提交線程(execute)

圖 22-5 提交線程流程圖

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    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);
}

在閱讀這部分源碼的時候，可以參考我們自己實現(xiàn)的線程池。其實最終的目的都是一樣的，就是這段被提交的線程，啟動執(zhí)行、加入隊列、決策策略，這三種方式。

ctl.get()，取的是記錄線程狀態(tài)和線程個數(shù)的值，最終需要使用方法 workerCountOf()，來獲取當前線程數(shù)量。`workerCountOf 執(zhí)行的是 c & CAPACITY 運算
根據(jù)當前線程池中線程數(shù)量，與核心線程數(shù) corePoolSize 做對比，小于則進行添加線程到任務執(zhí)行隊列。
如果說此時線程數(shù)已滿，那么則需要判斷線程池是否為運行狀態(tài) isRunning(c)。如果是運行狀態(tài)則把不能被執(zhí)行的線程放入線程隊列中。
放入線程隊列以后，還需要重新判斷線程是否運行以及移除操作，如果非運行且移除，則進行拒絕策略。否則判斷線程數(shù)量為0后添加新線程。
最后就是再次嘗試添加任務執(zhí)行，此時方法 addWorker 的第二個入?yún)⑹?false，最終會影響添加執(zhí)行任務數(shù)量判斷。如果添加失敗則進行拒絕策略。

3.5 添加執(zhí)行任務(addWorker)

圖 22-6 添加執(zhí)行任務邏輯流程

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core)

第一部分、增加線程數(shù)量

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
    }
}

第一部分、創(chuàng)建啟動線程

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 {
            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;

添加執(zhí)行任務的流程可以分為兩塊看，上面代碼部分是用于記錄線程數(shù)量、下面代碼部分是在獨占鎖里創(chuàng)建執(zhí)行線程并啟動。這部分代碼在不看鎖、CAS等操作，那么就和我們最開始手寫的線程池基本一樣了

if (rs >= SHUTDOWN &&! (rs == SHUTDOWN &&firstTask == null &&! workQueue.isEmpty()))，判斷當前線程池狀態(tài)，是否為 SHUTDOWN、STOP、TIDYING、TERMINATED中的一個。并且當前狀態(tài)為 SHUTDOWN、且傳入的任務為 null，同時隊列不為空。那么就返回 false。
compareAndIncrementWorkerCount，CAS 操作，增加線程數(shù)量，成功就會跳出標記的循環(huán)體。
runStateOf(c) != rs，最后是線程池狀態(tài)判斷，決定是否循環(huán)。
在線程池數(shù)量記錄成功后，則需要進入加鎖環(huán)節(jié)，創(chuàng)建執(zhí)行線程，并記錄狀態(tài)。在最后如果判斷沒有啟動成功，則需要執(zhí)行 addWorkerFailed 方法，剔除到線程方法等操作。

3.6 執(zhí)行線程(runWorker)

final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    w.unlock(); // 允許中斷
    boolean completedAbruptly = true;
    try {
        while (task != null || (task = getTask()) != null) 
            w.lock();
            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();
                } finally {
                    afterExecute(task, thrown);
                }
            } finally {
                task = null;
                w.completedTasks++;
                w.unlock();
            }
        }
        completedAbruptly = false;
    } finally {
        processWorkerExit(w, completedAbruptly);
    }
}

其實，有了手寫線程池的基礎，到這也就基本了解了，線程池在干嘛。到這最核心的點就是 task.run() 讓線程跑起來。額外再附帶一些其他流程如下；

beforeExecute、afterExecute，線程執(zhí)行的前后做一些統(tǒng)計信息。
另外這里的鎖操作是 Worker 繼承 AQS 自己實現(xiàn)的不可重入的獨占鎖。
processWorkerExit，如果你感興趣，類似這樣的方法也可以深入了解下。在線程退出時候workers做到一些移除處理以及完成任務數(shù)等，也非常有意思

3.7 隊列獲取任務(getTask)

如果你已經(jīng)開始閱讀源碼，可以在 runWorker 方法中，看到這樣一句循環(huán)代碼 while (task != null || (task = getTask()) != null)。這與我們手寫線程池中操作的方式是一樣的，核心目的就是從隊列中獲取線程方法。

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 方法從阻塞隊列中獲取等待被執(zhí)行的任務，也就是一條條往出拿線程方法。
if (rs >= SHUTDOWN ...，判斷線程是否關閉。
wc = workerCountOf(c)，wc > corePoolSize，如果工作線程數(shù)超過核心線程數(shù)量 corePoolSize 并且 workQueue 不為空，則增加工作線程。但如果超時未獲取到線程，則會把大于 corePoolSize 的線程銷毀掉。
timed，是 allowCoreThreadTimeOut 得來的。最終 timed 為 true 時，則通過阻塞隊列的poll方法進行超時控制。
如果在 keepAliveTime 時間內(nèi)沒有獲取到任務，則返回null。如果為false，則阻塞。

四、總結

這一章節(jié)并沒有完全把線程池的所有知識點都介紹完，否則一篇內(nèi)容會有些臃腫。在這一章節(jié)我們從手寫線程池開始，逐步的分析這些代碼在Java的線程池中是如何實現(xiàn)的，涉及到的知識點也幾乎是我們以前介紹過的內(nèi)容，包括：隊列、CAS、AQS、重入鎖、獨占鎖等內(nèi)容。所以這些知識也基本是環(huán)環(huán)相扣的，最好有一些根基否則會有些不好理解。
除了本章介紹的，我們還沒有講到線程的銷毀過程、四種線程池方法的選擇和使用、以及在CPU密集型任務、IO 密集型任務時該怎么配置。另外在Spring中也有自己實現(xiàn)的線程池方法。這些知識點都非常貼近實際操作。
好了，今天的內(nèi)容先扯到這，后續(xù)的內(nèi)容陸續(xù)完善。如果以上內(nèi)容有錯字、流程缺失、或者不好理解以及描述錯誤，歡迎留言。互相學習、互相進步。