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了解Java線程池執(zhí)行原理

 更新時間:2019年05月31日 14:47:10   作者:展翅而飛  
那么有沒有一種辦法使得線程可以復用,就是執(zhí)行完一個任務,并不被銷毀,而是可以繼續(xù)執(zhí)行其他的任務?在Java中可以通過線程池來達到這樣的效果。下面我們來詳細了解一下吧

前言

上一篇已經對線程池的創(chuàng)建進行了分析,了解線程池既有預設的模板,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,分析線程池執(zhí)行任務的過程。

線程池狀態(tài)

首先認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,其中高3位是runState,其余29位是workerCount。代碼中會反復使用runStateOf和workerCountOf來獲取runState和workerCount。

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,可執(zhí)行等待隊列里的任務
  • SHUTDOWN:不可接收新任務,可執(zhí)行等待隊列里的任務
  • STOP:不可接收新任務,不可執(zhí)行等待隊列里的任務,并且嘗試終止所有在運行任務
  • TIDYING:所有任務已經終止,執(zhí)行terminated()
  • TERMINATED:terminated()執(zhí)行完成

線程池狀態(tài)默認從RUNNING開始流轉,到狀態(tài)TERMINATED結束,中間不需要經過每一種狀態(tài),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:

Worker的創(chuàng)建

線程池是由Worker類負責執(zhí)行任務,Worker繼承了AbstractQueuedSynchronizer,引出了Java并發(fā)框架的核心AQS。

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

AQS不會在這里展開討論,只需要知道Worker包裝了Thread,由它去執(zhí)行任務。

調用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:

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);
}

標記1對應第一種情況,要留意addWorker傳入了core,core=true為corePoolSize,core=false為maximumPoolSize,

新增時需要檢查workerCount是否超過允許的最大值。

標記2對應第二種情況,檢查線程池是否在運行,并且將任務加入等待隊列。標記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),那就將等待隊列剛加的任務刪掉,再交給RejectedExecutionHandler處理。標記4發(fā)現(xiàn)沒有worker,就先補充一個空任務的worker。

標記5對應第三種情況,等待隊列不能再添加任務了,調用addWorker添加一個去處理。

標記6對應第四種情況,addWorker的core傳入false,返回調用失敗,代表workerCount已經超出maximumPoolSize,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;
}

標記1的第一段代碼,目的很簡單,是為workerCount加一。至于為什么代碼寫了這么長,是因為線程池的狀態(tài)在不斷

變化,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)、任務非空和隊列非空,內循環(huán)使用CAS機制保證workerCount正確地遞增。不了解CAS可以看認識非阻塞的同步機制CAS,后續(xù)增減workerCount都會使用CAS。

標記2的第二段代碼,就比較簡單。創(chuàng)建一個新Worker對象,將Worker添加進workers里(Set集合)。成功添加后,啟動worker里的線程。在finally里判斷線程是否啟動成功,不成功直接調用addWorkerFailed。

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將減少已經遞增的workerCount,并且調用tryTerminate結束線程池。

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在構造函數(shù)里采用ThreadFactory創(chuàng)建Thread,在run方法里調用了runWorker,看來是真正執(zhí)行任務的地方。

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);
}
}

標記1進入循環(huán),從getTask獲取要執(zhí)行的任務,直到返回null。這里達到了線程復用的效果,讓線程處理多個任務。

標記2是一個比較復雜的判斷,保證了線程池在STOP狀態(tài)下線程是中斷的,非STOP狀態(tài)下線程沒有被中斷。如果你不了解Java的中斷機制,看如何正確結束Java線程這篇

標記3調用了run方法,真正執(zhí)行了任務。執(zhí)行前后提供了beforeExecute和afterExecute兩個方法,由子類實現(xiàn)。

標記4里的completedTasks統(tǒng)計worker執(zhí)行了多少任務,最后累加進completedTaskCount變量,可以調用相應方法返回一些統(tǒng)計信息。

標記5的變量completedAbruptly表示worker是否異常終止,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。

標記6調用processWorkerExit結束,后面會分析。

接著來看worker從等待隊列獲取任務的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;
}
}
}

標記1檢查線程池的狀態(tài),這里就體現(xiàn)出SHUTDOWN和STOP的區(qū)別。如果線程池是SHUTDOWN狀態(tài),還會先處理完等待隊列的任務;如果是STOP狀態(tài),就不再處理等待隊列里的任務了。

標記2先看allowCoreThreadTimeOut這個變量,false時worker空閑,也不會結束;true時,如果worker空閑超過keepAliveTime,就會結束。接著是一個很復雜的判斷,好難轉成文字描述,自己看吧。注意一下wc>maximumPoolSize,出現(xiàn)這種可能是在運行中調用setMaximumPoolSize,還有wc>1,在等待隊列非空時,至少保留一個worker。

標記3是從等待隊列取任務的邏輯,根據(jù)timed分為等待keepAliveTime或者阻塞直到有任務。

最后來看結束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。標記1處用變量completedAbruptly判斷worker是否異常退出,如果是,需要補充對workerCount的減一。

標記2將worker處理任務的數(shù)量累加到總數(shù),并且在集合workers中去除。

標記3嘗試終止線程池,后續(xù)會研究。

標記4處理線程池還是RUNNING或SHUTDOWN狀態(tài)時,如果worker是異常結束,那么會直接addWorker。如果allowCoreThreadTimeOut=true,并且等待隊列有任務,至少保留一個worker;如果allowCoreThreadTimeOut=false,workerCount不少于corePoolSize。

總結一下worker:線程池啟動后,worker在池內創(chuàng)建,包裝了提交的Runnable任務并執(zhí)行,執(zhí)行完就等待下一個任務,不再需要時就結束。

線程池的關閉

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

  • shutdown:不能再提交任務,已經提交的任務可繼續(xù)運行;
  • shutdownNow:不能再提交任務,已經提交但未執(zhí)行的任務不能運行,在運行的任務可繼續(xù)運行,但會被中斷,返回已經提交但未執(zhí)行的任務。
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),并調用interruptIdleWorkers請求中斷所有空閑的worker,最后調用tryTerminate嘗試結束線程池。

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,將線程池切換為STOP狀態(tài),中斷目標是所有worker。drainQueue會將等待隊列里未執(zhí)行的任務返回。

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

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

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
}
}

標記1檢查線程池狀態(tài),下面幾種情況,后續(xù)操作都沒有必要,直接return。

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

標記2在worker非空的情況下又調用了interruptIdleWorkers,你可能疑惑在shutdown時已經調用過了,為什么又調用,而且每次只中斷一個空閑worker?

你需要知道,shutdown時worker可能在執(zhí)行中,執(zhí)行完阻塞在隊列的take,不知道要結束,所有要補充調用interruptIdleWorkers。每次只中斷一個是因為processWorkerExit時,還會執(zhí)行tryTerminate,自動中斷下一個空閑的worker。

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

調用關閉線程池方法后,需要等待線程池切換到TERMINATED狀態(tài)。awaitTermination檢查限定時間內線程池是否進入TERMINATED狀態(tài),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,總體來看線程池的設計是很清晰的。如有錯誤或不足,歡迎指出,也歡迎留言交流。

以上就是本文的全部內容,希望對大家的學習有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。

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