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解析ThreadPoolExecutor类是如何保证线程池正确运行的

2021-08-31 17:00 https://my.oschina.net/u/4526289/blog/5214588 华为云开发者社区 次阅读 条评论
摘要:对于线程池的核心类ThreadPoolExecutor来说,有哪些重要的属性和内部类为线程池的正确运行提供重要的保障呢?

本文分享自华为云社区《【高并发】通过源码深度解析ThreadPoolExecutor类是如何保证线程池正确运行的》,作者: 冰 河 。

对于线程池的核心类ThreadPoolExecutor来说,有哪些重要的属性和内部类为线程池的正确运行提供重要的保障呢?今天我们就一起来深入探讨下这些问题!!

ThreadPoolExecutor类中的重要属性

在ThreadPoolExecutor类中,存在几个非常重要的属性和方法,接下来,我们就介绍下这些重要的属性和方法。

ctl相关的属性

AtomicInteger类型的常量ctl是贯穿线程池整个生命周期的重要属性,它是一个原子类对象,主要用来保存线程的数量和线程池的状态,我们看下与这个属性相关的代码如下所示。

//主要用来保存线程数量和线程池的状态,高3位保存线程状态,低29位保存线程数量

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

//线程池中线程的数量的位数(32-3)

private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;

//表示线程池中的最大线程数量

//将数字1的二进制值向右移29位,再减去1

private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;

//线程池的运行状态

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;

//获取线程状态

private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }

//获取线程数量

private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }

private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

private static boolean runStateLessThan(int c, int s) {

	return c < s;

}

private static boolean runStateAtLeast(int c, int s) {

	return c >= s;

}

private static boolean isRunning(int c) {

	return c < SHUTDOWN;

}

private boolean compareAndIncrementWorkerCount(int expect) {

	return ctl.compareAndSet(expect, expect + 1);

}

private boolean compareAndDecrementWorkerCount(int expect) {

	return ctl.compareAndSet(expect, expect - 1);

}

private void decrementWorkerCount() {

	do {} while (! compareAndDecrementWorkerCount(ctl.get()));

}

对于线程池的各状态说明如下所示。

  • RUNNING:运行状态,能接收新提交的任务,并且也能处理阻塞队列中的任务
  • SHUTDOWN: 关闭状态,不能再接收新提交的任务,但是可以处理阻塞队列中已经保存的任务,当线程池处于RUNNING状态时,调用shutdown()方法会使线程池进入该状态
  • STOP: 不能接收新任务,也不能处理阻塞队列中已经保存的任务,会中断正在处理任务的线程,如果线程池处于RUNNING或SHUTDOWN状态,调用shutdownNow()方法,会使线程池进入该状态
  • TIDYING: 如果所有的任务都已经终止,有效线程数为0(阻塞队列为空,线程池中的工作线程数量为0),线程池就会进入该状态。
  • TERMINATED: 处于TIDYING状态的线程池调用terminated ()方法,会使用线程池进入该状态

也可以按照ThreadPoolExecutor类的,将线程池的各状态之间的转化总结成如下图所示。

  • RUNNING -> SHUTDOWN:显式调用shutdown()方法, 或者隐式调用了finalize()方法
  • (RUNNING or SHUTDOWN) -> STOP:显式调用shutdownNow()方法
  • SHUTDOWN -> TIDYING:当线程池和任务队列都为空的时候
  • STOP -> TIDYING:当线程池为空的时候
  • TIDYING -> TERMINATED:当 terminated() hook 方法执行完成时候

其他重要属性

除了ctl相关的属性外,ThreadPoolExecutor类中其他一些重要的属性如下所示。

//用于存放任务的阻塞队列  

private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;

//可重入锁

private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();

//存放线程池中线程的集合,访问这个集合时,必须获得mainLock锁

private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();

//在锁内部阻塞等待条件完成

private final Condition termination = mainLock.newCondition();

//线程工厂,以此来创建新线程

private volatile ThreadFactory threadFactory;

//拒绝策略

private volatile RejectedExecutionHandler handler;

//默认的拒绝策略

private static final RejectedExecutionHandler defaultHandler = new AbortPolicy();

ThreadPoolExecutor类中的重要内部类

在ThreadPoolExecutor类中存在对于线程池的执行至关重要的内部类,Worker内部类和拒绝策略内部类。接下来,我们分别看这些内部类。

Worker内部类

Worker类从源代码上来看,实现了Runnable接口,说明其本质上是一个用来执行任务的线程,接下来,我们看下Worker类的源代码,如下所示。

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable{

	private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;

	//真正执行任务的线程

	final Thread thread;

	//第一个Runnable任务,如果在创建线程时指定了需要执行的第一个任务

	//则第一个任务会存放在此变量中,此变量也可以为null

	//如果为null,则线程启动后,通过getTask方法到BlockingQueue队列中获取任务

	Runnable firstTask;

	//用于存放此线程完全的任务数,注意:使用了volatile关键字

	volatile long completedTasks;

 

	//Worker类唯一的构造放大,传递的firstTask可以为null

	Worker(Runnable firstTask) {

		//防止在调用runWorker之前被中断

		setState(-1);

		this.firstTask = firstTask;

		//使用ThreadFactory 来创建一个新的执行任务的线程

		this.thread = getThreadFactory().newThread(this);

	}

	//调用外部ThreadPoolExecutor类的runWorker方法执行任务

	public void run() {

		runWorker(this);

	}



	//是否获取到锁 

	//state=0表示锁未被获取

	//state=1表示锁被获取

	protected boolean isHeldExclusively() {

		return getState() != 0;

	}



	protected boolean tryAcquire(int unused) {

		if (compareAndSetState(0, 1)) {

			setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());

			return true;

		}

		return false;

	}



	protected boolean tryRelease(int unused) {

		setExclusiveOwnerThread(null);

		setState(0);

		return true;

	}



	public void lock()        { acquire(1); }

	public boolean tryLock()  { return tryAcquire(1); }

	public void unlock()      { release(1); }

	public boolean isLocked() { return isHeldExclusively(); }



	void interruptIfStarted() {

		Thread t;

		if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) {

			try {

				t.interrupt();

			} catch (SecurityException ignore) {

			}

		}

	}

}

在Worker类的构造方法中,可以看出,首先将同步状态state设置为-1,设置为-1是为了防止runWorker方法运行之前被中断。这是因为如果其他线程调用线程池的shutdownNow()方法时,如果Worker类中的state状态的值大于0,则会中断线程,如果state状态的值为-1,则不会中断线程。

Worker类实现了Runnable接口,需要重写run方法,而Worker的run方法本质上调用的是ThreadPoolExecutor类的runWorker方法,在runWorker方法中,会首先调用unlock方法,该方法会将state置为0,所以这个时候调用shutDownNow方法就会中断当前线程,而这个时候已经进入了runWork方法,就不会在还没有执行runWorker方法的时候就中断线程。

注意:大家需要重点理解Worker类的实现。

拒绝策略内部类

在线程池中,如果workQueue阻塞队列满了,并且没有空闲的线程池,此时,继续提交任务,需要采取一种策略来处理这个任务。而线程池总共提供了四种策略,如下所示。

  • 直接抛出异常,这也是默认的策略。实现类为AbortPolicy。
  • 用调用者所在的线程来执行任务。实现类为CallerRunsPolicy。
  • 丢弃队列中最靠前的任务并执行当前任务。实现类为DiscardOldestPolicy。
  • 直接丢弃当前任务。实现类为DiscardPolicy。

在ThreadPoolExecutor类中提供了4个内部类来默认实现对应的策略,如下所示。

public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {



	public CallerRunsPolicy() { }



	public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {

		if (!e.isShutdown()) {

			r.run();

		}

	}

}



public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {



	public AbortPolicy() { }



	public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {

		throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() + " rejected from " + e.toString());

	}

}



public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {



	public DiscardPolicy() { }



	public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {

	}

}



public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {



	public DiscardOldestPolicy() { }

	public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {

		if (!e.isShutdown()) {

			e.getQueue().poll();

			e.execute(r);

		}

	}

}

我们也可以通过实现RejectedExecutionHandler接口,并重写RejectedExecutionHandler接口的rejectedExecution方法来自定义拒绝策略,在创建线程池时,调用ThreadPoolExecutor的构造方法,传入我们自己写的拒绝策略。

例如,自定义的拒绝策略如下所示。

public class CustomPolicy implements RejectedExecutionHandler {



	public CustomPolicy() { }



	public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {

		if (!e.isShutdown()) {

			System.out.println("使用调用者所在的线程来执行任务")

			r.run();

		}

	}

}

使用自定义拒绝策略创建线程池。

new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,

                       60L, TimeUnit.SECONDS,

                       new SynchronousQueue<Runnable>(),

                       Executors.defaultThreadFactory(),

 

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