Java 线程池ThreadPoolExecutor

什么是线程池

为了避免系统频繁的创建和销毁线程，我们可以让创建的线程复用。
在线程池当中总有几个活跃的线程，在需要使用线程的时候拿到一个空闲的线程，当工作完成了的时候，并不急这把这个线程关掉，而是把线程归还到线程池当中，方便给他人使用
总而言之，在使用线程池之后，开启线程就变成了在线程池当中找到一个空闲的线程，销毁线程变成了归还线程到线程池的过程

特点

控制最大线程并行数量
线程复用
管理线程

工作原理

在这里插入图片描述
举个例子：假如CorePool等于10，maxnumPoolSize=50,阻塞队列用ArrayBlockingQueue(50)

向线程池提交一个线程，先判断（工作的线程是否超过CorePool这里的corePool是10）
如果没有超过，会通过ThreadFactory创建一个新的xianc(被worker包装)，然后持续任务
如果超过了，则会加入到阻塞队列里面去进行排队（这里阻塞队列用的的ArrayBlockingQueue长度为50）
如果队列满了（也就是超过了50），则会去判断当前的工作线程是否小于maxnumPoolSize(这里maxnumPoolSize是为50)如果小于则会，继续创建线程（包装成worker对象）
如果maxnumPoolSize也超过了的话就会执行拒绝策略。

ThreadPoolExecutor 构造函数

    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, // 核心线程数
                              int maximumPoolSize, // 最大线程数
                              long keepAliveTime, // 当线程数量大于核心线程数时， 空闲线程最大的生存期为keepAliveTime
                              TimeUnit unit, // keepAliveTime的时间单位
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue, // 待执行的任务队列
                              ThreadFactory threadFactory, // 用于创建新线程的工厂类
                              RejectedExecutionHandler handler) { // 由于达到线程边界和队列容量而无法执行时使用的拒绝策略实现类

    }

corePoolSize（必需）：核心线程数。即池中一直保持存活的线程数，即使这些线程处于空闲。但是将allowCoreThreadTimeOut（必需）参数设置为true后，核心线程处于空闲一段时间以上，也会被回收。
maximumPoolSize（必需）：最大线程数量。当核心线程满了并且阻塞队列也满了之后，线程池会临时追加创建线程，直到线程数达到maximumPoolSize值的上限
keepAliveTime（必需）：当线程数量大于核心线程数时，空闲线程最大的生存期为keepAliveTime，该线程将被回收。将allowCoreThreadTimeOut参数设置为true后，核心线程也会被回收。
unit（必需）：时间单位
workQueue（必需）：任务队列，采用阻塞队列实现
threadFactory（可选）：线程工厂。指定线程池创建线程的方式。
handler（可选）：拒绝策略。当线程池中线程数达到maximumPoolSize且workQueue打满时，后续提交的任务将被拒绝，handler可以指定用什么方式拒绝任务。

阻塞任务队列

使用ThreadPoolExecutor需要指定一个实现了BlockingQueue接口的任务等待队列。在ThreadPoolExecutor线程池的API文档中，一共推荐了三种等待队列，它们是：SynchronousQueue、LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue；

SynchronousQueue：是一个内部只能包含一个元素的队列。插入元素到队列的线程被阻塞，直到另一个线程从队列中获取了队列中存储的元素。同样，如果线程尝试获取元素并且当前不存在任何元素，则该线程将被阻塞，直到线程将元素插入队列。
LinkedBlockingQueue：无界队列（严格来说并非无界，上限是Integer.MAX_VALUE），基于链表结构。使用无界队列后，当核心线程都繁忙时，后续任务可以无限加入队列，因此线程池中线程数不会超过核心线程数。这种队列可以提高线程池吞吐量，但代价是牺牲内存空间，甚至会导致内存溢出。另外，使用它时可以指定容量，这样它也就是一种有界队列了。
ArrayBlockingQueue：有界队列，基于数组实现。在线程池初始化时，指定队列的容量，后续无法再调整。这种有界队列有利于防止资源耗尽，但可能更难调整和控制。

另外，Java还提供了另外4种队列：

PriorityBlockingQueue：支持优先级排序的无界阻塞队列
DelayQueue：延迟队列。基于二叉堆实现，同时具备：无界队列、阻塞队列、优先队列的特征。
LinkedBlockingDeque：双端队列。基于链表实现，既可以从尾部插入/取出元素，还可以从头部插入元素/取出元素。
LinkedTransferQueue：由链表结构组成的无界阻塞队列。这个队列比较特别的时，采用一种预占模式，意思就是消费者线程取元素时，如果队列不为空，则直接取走数据，若队列为空，那就生成一个节点（节点元素为null）入队，然后消费者线程被等待在这个节点上，后面生产者线程入队时发现有一个元素为null的节点，生产者线程就不入队了，直接就将元素填充到该节点，并唤醒该节点等待的线程，被唤醒的消费者线程取走元素。

拒绝策略

AbortPolicy（默认）：丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
CallerRunsPolicy：
DiscardPolicy：直接丢弃任务，不抛出任何异常。
DiscardOldestPolicy：将当前处于等待队列列头的等待任务强行取出，然后再试图将当前被拒绝的任务提交到线程池执行。

线程池状态

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Executors封装线程池

在这里插入图片描述

FixedThreadPool： 创建固定容量线程池。特点是核心线程数等于最大线程数，意味着线程池只能创建核心线程，keepAliveTime为0，即线程执行完任务立即回收。任务队列未指定容量，代表使用默认值Integer.MAX_VALUE。适用于需要控制并发线程的场景。
SingleThreadExecutor： 单线程线程池。特点是线程池中只有一个线程（核心线程），线程执行完任务立即回收，使用有界阻塞队列（容量未指定，使用默认值Integer.MAX_VALUE）
ScheduledThreadPool： 定时线程池。指定核心线程数量，普通线程数量无限，线程执行完任务立即回收，任务队列为延时阻塞队列。这是一个比较特别的线程池，适用于执行定时或周期性的任务。
CachedThreadPool： 缓存线程池。没有核心线程，普通线程数量为Integer.MAX_VALUE（可以理解为无限），线程闲置60s后回收，任务队列使用SynchronousQueue这种无容量的同步队列。适用于任务量大但耗时低的场景。

源码解读

execute

在这里插入图片描述

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

        /** ctl记录着workCount和runState */
        int c = ctl.get();

        /** case1: 如果线程池中的线程数量小于核心线程数，那么创建线程并执行*/
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { // workerCountOf(c): 获取当前活动的线程数
            /**
             * 在线程池中新建一个新的线程
             * command：需要执行的Runnable线程
             * true：新增线程时，【当前活动的线程数】是否 < corePoolSize
             * false：新增线程时，【当前活动的线程数】是否 < maximumPoolSize
             */
            if (addWorker(command, true)) {
                // 添加新线程成功，则直接返回。
                return;
            }
            // 添加新线程失败，则重新获取【当前活动的线程数】
            c = ctl.get();
        }

        /** 第二步：如果当前线程池是运行状态 并且 任务添加到队列成功
         * （即：case2: 如果workCount >= corePoolSize，创建线程往workQueue添加线程任务，等待执行）*/
        // BlockingQueue<Runnable> workQueue 和 Runnable command
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { // 添加command到workQueue队列中。
            // 重新获取ctl
            int recheck = ctl.get();
            // 再次check一下，当前线程池是否是运行状态，如果不是运行时状态，则把刚刚添加到workQueue中的command移除掉，并调用拒绝策略
            if (!isRunning(recheck) && remove(command)) {
                reject(command);
            } else if (workerCountOf(recheck) == 0) { // 如果【当前活动的线程数】为0，则执行addWork方法
                /**
                 * null：只创建线程，但不去启动
                 * false：添加线程时，根据maximumPoolSize来判断
                 *
                 * 如果 (workerCountOf(recheck) > 0, 则直接返回，在队列中的command稍后会出队列并且执行
                 */
                addWorker(null, false);
            }
        }

        /**
         * 第三步：满足以下两种条件之一，进入第三步判断语句
         *  case1: 线程池不是正在运行状态，即：isRunning(c)==false
         *  case2: workCount >= corePoolSize 并且 添加workQueue队列失败。即：workQueue.offer(command)==false
         *
         * 由于第二个参数传的是false，所以如果workCount < maximumPoolSize,则创建执行线程；否则，进入方法体执行reject(command)
         */
        else if (!addWorker(command, false)) {
            // 执行线程创建失败的拒绝策略
            reject(command);
        }
    }

基本过程：

根据ctl来获取workcount和runState
如果ctl小于核心线程数那么会调用addWorke增加一个工作线程并添加任务
如果ctl大于核心线程数那么会判断当前线程池是运行状态并且任务添加到队列成功
放入成功后再次判断工作线程数是否是0，如果是则执行addWork方法，否则直接返回
最后一种情况是当线程池不是运行状态且任务添加到队列失败，则执行拒绝策略

addWorker（Runnable firstTask, boolean core）方法

参数说明：

Runnable firstTask：新创建的线程应该首先运行的任务（如果没有，则为空）。
boolean core：该参数决定了线程池容量的约束条件，即当前线程数量以何值为极限值。参数为 true 则使用corePollSize 作为约束值，否则使用maximumPoolSize。

在这里插入图片描述

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
    // 外层循环：判断线程池状态
    retry:
    for (;;) {
        int c = ctl.get();
        int rs = runStateOf(c);

        /** 
         * 1.线程池为非Running状态（Running状态则既可以新增核心线程也可以接受任务）
         * 2.线程为shutdown状态且firstTask为空且队列不为空
         * 3.满足条件1且条件2不满足，则返回false
         * 4.条件2解读：线程池为shutdown状态时且任务队列不为空时，可以新增空任务的线程来处理队列中的任务
         */
        if (rs >= SHUTDOWN &&
            ! (rs == SHUTDOWN &&
               firstTask == null &&
               ! workQueue.isEmpty()))
            return false;

		// 内层循环：线程池添加核心线程并返回是否添加成功的结果
        for (;;) {
            int wc = workerCountOf(c);
            // 校验线程池已有线程数量是否超限：
            // 1.线程池最大上限CAPACITY 
            // 2.corePoolSize或maximumPoolSize（取决于入参core）
            if (wc >= CAPACITY ||
                wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) 
                return false;
            // 通过CAS操作使工作线程数+1，跳出外层循环
            if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) 
                break retry;
            // 线程+1失败，重读ctl
            c = ctl.get();   // Re-read ctl
            // 如果此时线程池状态不再是running，则重新进行外层循环
            if (runStateOf(c) != rs)
                continue retry;
            // 其他 CAS 失败是因为工作线程数量改变了，继续内层循环尝试CAS对线程数+1
            // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
        }
    }

    /**
     * 核心线程数量+1成功的后续操作：添加到工作线程集合，并启动工作线程
     */
    boolean workerStarted = false;
    boolean workerAdded = false;
    Worker w = null;
    try {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        w = new Worker(firstTask);
        final Thread t = w.thread;
        if (t != null) {
            // 下面代码需要加锁：线程池主锁
            mainLock.lock(); 
            try {
                // 持锁期间重新检查，线程工厂创建线程失败或获取锁之前关闭的情况发生时，退出
                int c = ctl.get();
                int rs = runStateOf(c);

				// 再次检验线程池是否是running状态或线程池shutdown但线程任务为空
                if (rs < SHUTDOWN ||
                    (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                    // 线程已经启动，则抛出非法线程状态异常
                    // 为什么会存在这种状态呢？未解决
                    if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                        throw new IllegalThreadStateException();
                    workers.add(w); //加入线程池
                    int s = workers.size();
                    // 如果当前工作线程数超过线程池曾经出现过的最大线程数，刷新后者值
                    if (s > largestPoolSize)
                        largestPoolSize = s; 
                    workerAdded = true;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();  // 释放锁
            }
            if (workerAdded) { // 工作线程添加成功，启动该线程
                t.start();
                workerStarted = true;
            }
        }
    } finally {
        //线程启动失败，则进入addWorkerFailed
        if (! workerStarted) 
            addWorkerFailed(w);
    }
    return workerStarted;
}

解读

1.外层循环判断线程池的状态是否可以新增工作线程。这层校验基于下面两个原则：

线程池为Running状态时，既可以接受新任务也可以处理任务
线程池为Stop状态时只能新增空任务的工作线程（worker）处理任务队列（workQueue）中的任务不能接受新任务

2.内层循环向线程池添加工作线程并返回是否添加成功的结果。

之后校验线程数是否已经超限制，是则返回false，否则进入下一步
通过CAS使工作线程数+1，成功则进入步骤3，失败则再次校验线程池是否是运行状态，是则继续内层循环，不是则返回外层循环

3.核心线程数量+1成功的后续操作：添加到工作线程集合，并启动工作线程

首先获取锁之后，再次校验线程池状态（具体校验规则见代码注解），通过则进入下一步，未通过则添加线程失
线程池状态校验通过后，再检查线程是否已经启动，是则抛出异常，否则尝试将线程加入线程池
检查线程是否启动成功，成功则返回true，失败则进入 addWorkerFailed 方法

addWorkerFailed

    /**
     * 回滚创建的工作线程
     * 1> 从workers队列中移除worker（如果存在队列中的话）。
     * 2> workerCount减一。
     * 3> 重新检查是否终止(termination)，以防止这个worker的存在阻止了终止(termination)
     */
    private void addWorkerFailed(Worker w) {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            if (w != null) {
                workers.remove(w); // 步骤1：从work队列中移除w
            }
            // 步骤2：workerCount减1
            decrementWorkerCount();
            // 步骤3：
            tryTerminate();
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
    }

    /**
     * 如果（state是SHUTDOWN状态，并且线程池和队列都为空）或者（state是STOP状态，并且线程池和队列都为空），则将state状态转换为TERMINATED。
     * 如果可以终止，但workerCount非零，则中断空闲的worker，以确保关闭信号传播。
     * 必须在可能终止操作的任何操作之后调用此方法-减少worker计数或在关闭过程中从队列中删除任务。
     * 该方法是非私有的，以允许从ScheduledThreadPoolExecutor访问。
     */
    final void tryTerminate() {
        for (; ; ) {
            int c = ctl.get();
            /**
             * 只有runState=STOP 或 SHUTDOWN(且workQueue为空)才能继续往下执行
             */
            if (isRunning(c) || // 判断c是否是RUNNING状态
                    runStateAtLeast(c, TIDYING) || // 判断c是否是TIDYING或者TERMINATED
                    (runStateOf(c) == SHUTDOWN && !workQueue.isEmpty())) { // 判断如果c是否是SHUTDOWN状态并且workQueue不为空
                return;
            }
            // 当前活动的线程数不为0
            if (workerCountOf(c) != 0) { // Eligible(有资格的) to terminate
                // 因为ONLY_ONE=true，所以只针对一个闲置线程执行interrupt()
                interruptIdleWorkers(ONLY_ONE);
                return;
            }

            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
                if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) { // 尝试将当前线程池的运行状态设置为TIDYING，活跃线程数量设置为0
                    try {
                        terminated(); // 空方法
                    } finally {
                        ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0)); // 将当前线程池的运行状态设置为TERMINATED，活跃线程数量设置为0
                        termination.signalAll(); // 唤醒所有线程
                    }
                    return;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
        }
    }

流程

把worker吧workers移除
workerCount -1
重新检查是否终止(termination)，以防止这个worker的存在阻止了终止(termination)。

runWorker

在这里插入图片描述

1、判断当前任务或者从任务队列中获取的任务是否不为空，都为空则进入步骤2，否则进入步骤3

2、任务为空，则将completedAbruptly置为false（即线程不是突然终止），并执行processWorkerExit(w,completedAbruptly)方法进入线程退出程序

3、任务不为空，则进入循环，并加锁

4、判断是否为线程添加中断标识，以下两个条件满足其一则添加中断标识：

线程池状态>=STOP,即STOP或TERMINATED
一开始判断线程池状态<STOP，接下来检查发现Thread.interrupted()为true，即线程已经被中断，再次检查线程池状态是否>=STOP（以消除该瞬间shutdown方法生效，使线程池处于STOP或TERMINATED）

5、执行前置方法 beforeExecute(wt, task)（该方法为空方法，由子类实现）后执行task.run() 方法执行任务（执行不成功抛出相应异常）

6、执行后置方法 afterExecute(task, thrown)（该方法为空方法，由子类实现）后将线程池已完成的任务数+1，并释放锁。

7、再次进行循环条件判断。

processWorkerExit()

processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly)执行线程退出的方法

参数说明：

Worker w：要结束的工作线程。
boolean completedAbruptly：是否突然完成（异常导致），如果工作线程因为用户异常死亡，则completedAbruptly参数为 true

/**
 * Performs cleanup and bookkeeping for a dying worker. Called
 * only from worker threads. Unless completedAbruptly is set,
 * assumes that workerCount has already been adjusted to account
 * for exit.  This method removes thread from worker set, and
 * possibly terminates the pool or replaces the worker if either
 * it exited due to user task exception or if fewer than
 * corePoolSize workers are running or queue is non-empty but
 * there are no workers.
 *
 * @param w the worker
 * @param completedAbruptly if the worker died due to user exception
 */
private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
    /**
     * 1.工作线程-1操作
     * 1）如果completedAbruptly 为true，说明工作线程发生异常，那么将正在工作的线程数量-1
     * 2）如果completedAbruptly 为false，说明工作线程无任务可以执行，由getTask()执行worker-1操作
     */
    if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted
        decrementWorkerCount();

    // 2.从线程set集合中移除工作线程，该过程需要加锁
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        // 将该worker已完成的任务数追加到线程池已完成的任务数
        completedTaskCount += w.completedTasks;
        // HashSet<Worker>中移除该worker
        workers.remove(w);
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
    
	// 3.根据线程池状态进行判断是否结束线程池
    tryTerminate();
	
	/**
     * 4.是否需要增加工作线程
     * 线程池状态是running 或 shutdown
     * 如果当前线程是突然终止的，addWorker()
     * 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
     */
    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);
    }
}

流程

1、如果 completedAbruptly 为 true，即工作线程因为异常突然死亡，则执行工作线程-1操作。

2、主线程获取锁后，线程池已经完成的任务数追加 w（当前工作线程）完成的任务数，并从worker的set集合中移除当前worker。

3、根据线程池状态进行判断是否执行tryTerminate()结束线程池。

4、是否需要增加工作线程，如果线程池还没有完全终止，仍需要保持一定数量的线程。

如果当前线程是突然终止的，调用addWorker()创建工作线程
当前线程不是突然终止，但当前工作线程数量小于线程池需要维护的线程数量，则创建工作线程。需要维护的线程数量为corePoolSize（取决于成员变量 allowCoreThreadTimeOut是否为 false）或1。

https://blog.csdn.net/qq_32828253/article/details/112297856?spm=1001.2014.3001.5502
https://blog.csdn.net/mu_wind/article/details/113806680