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并发系列(6)之 ThreadPoolExecutor 详解

三枣 2019-04-15 12:12:00 阅读数:346 评论数:0 点赞数:0 收藏数:0

本文将主要介绍我们平时最常用的线程池 ThreadPoolExecutor ,有可能你平时没有直接使用这个类,而是使用 Executors 的工厂方法创建线程池,虽然这样很简单,但是很可能因为这个线程池发生 OOM ,具体情况文中会详细介绍;

二、ThreadPoolExecutor 概览

ThreadPoolExecutor 的继承关系如图所示:

executor

其中:

  • Executor:定义了 executor(Runnable command) 异步接口,但是没有强制要求异步;
  • ExecutorService:提供了生命周期管理的方法,以及有返回值的任务提交;
  • AbstractExecutorService:提供了 ExecutorService 的默认实现;


1. 主体结构

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0)); // 状态控制变量,核心
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue; // 任务等待队列
private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>(); // 工作线程集合
private volatile ThreadFactory threadFactory; // 线程构造工厂
private volatile RejectedExecutionHandler handler; // 拒绝策略
private volatile long keepAliveTime; // 空闲线程的存活时间(非核心线程)
private volatile int corePoolSize; // 核心线程大小
private volatile int maximumPoolSize; // 工作线程最大容量
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
if (corePoolSize < 0 || maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize || keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.acc = System.getSecurityManager() == null ? null : AccessController.getContext();
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}
...
}

这里已经可以大致看出 ThreadPoolExecutor 的结构了:

threadpool1


2. Worker 结构

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable {
final Thread thread; // 持有线程,只有在线程工厂运行失败时为空
Runnable firstTask; // 初始化任务,不为空的时候,任务直接运行,不在添加到队列
volatile long completedTasks; // 完成任务计数
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // AQS 初始化状态
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
public void run() {
runWorker(this); // 循环取任务执行
}
...
// AQS 锁方法
}

这里很容易理解的是 threadfirstTask;但是 Worker 还继承了 AQS 做了一个简易的互斥锁,主要是在中断或者 worker 状态改变的时候使用;具体 AQS 的详细说明可以参考,AbstractQueuedSynchronizer 源码分析


3. ctl 控制变量

ctl 控制变量(简记 c)是一个 AtomicInteger 类型的变量,由两部分信息组合而成(两个值互补影响,又可以通过简单的大小比较判断状态):

  • 线程池的运行状态 (runState,简记 rs),由 int 高位的前三位表示;
  • 线程池内有效线程的数量 (workerCount,简记 wc),由 int 地位的29位表示;

源码如下:

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3; // 用来表示线程数量的位数
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1; // 线程最大容量
// 状态量
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS; // 高位 111,第一位是符号位,1表示负数
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS; // 高位 000
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS; // 高位 001
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS; // 高位 010
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS; // 高位 011
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; } // 运行状态,取前3位
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; } // 线程数量,取后29位
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; } // 状态和数量合成
private static boolean runStateLessThan(int c, int s) { return c < s; } // 状态比较
private static boolean runStateAtLeast(int c, int s) { return c >= s; }
private static boolean isRunning(int c) { return c < SHUTDOWN; } // RUNNING 是负数,必然小于 SHUTDOWN

代码中可以看到状态判断的时候都是直接比较的,这是因为 TERMINATED > TIDYING > STOP > SHUTDOWN > RUNNING ;他们的状态变迁关系如下:

threadpool2

其中:

  • RUNNING:运行状态,可接收新任务;
  • SHUTDOWN:不可接收新任务,继续处理已提交的任务;
  • STOP:不接收、不处理任务,中断正在进行的任务
  • TIDYING:所有任务清空,线程停止;
  • TERMINATED:钩子方法,执行后的最终状态;


三、ThreadPoolExecutor 源码分析

1. 增加工作线程

 private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 这里正常情况下,只要大于SHUTDOWN,则必然不能添加线程;但是这里做了一个优化,
// 如果线程池还在继续处理任务,则可以添加线程加速处理,
// SHUTDOWN 表示不接收新任务,但是还在继续处理,
// firstTask 不为空时,是在添加线程的时候,firstTask 不入队,直接处理
// workQueue 不为空时,则还有任务需要处理
// 所以连起来就是 rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty()
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
if (wc >= CAPACITY || // 容量超出,则返回
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry; // 线程数增加成功,则跳出循环
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateOf(c) != rs) // 如果线程状态改变时,重头开始重试
continue retry;
}
}
// 此时线程计数,增加成功
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) { // 线程创建失败时,直接退出
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
int rs = runStateOf(ctl.get());
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { // 这里同样检查上面的优化条件
if (t.isAlive()) // 如果线程已经启动,则状态错误;
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize) largestPoolSize = s; // 记录工作线程的最大数,统计峰值用
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
if (workerAdded) {
t.start(); // 启动线程
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted) addWorkerFailed(w); // 添加失败清除
}
return workerStarted;
}

2. 提交任务

public void execute(Runnable command) {
if (command == null) throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { // 如果小于核心线程,直接添加
if (addWorker(command, true)) return;
c = ctl.get();
}
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { // 任务入队
int recheck = ctl.get();
if (!isRunning(recheck) && remove(command)) // 再次检查,状态不是RUNNING的时候,拒绝并移除任务
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0) // 这里是防止状态为SHUTDOWN时,已经添加的任务无法执行
addWorker(null, false);
}
else if (!addWorker(command, false)) // 任务入队失败时,直接添加线程,并运行
reject(command);
}

流程图如下:

threadpool2

所以影响任务提交的因数就有:

  • 核心线程的大小;
  • 是否为阻塞队列;
  • 线程池的大小;


3. 处理任务

工作线程启动之后,首先处理 firstTask 任务(特别注意,这个任务是没有入队的),然后从 workQueue 中取出任务处理,队列为空时,超时等待 keepAliveTime

final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
try {
while (task != null || (task = getTask()) != null) { // 获取任务
w.lock();
// 总体条件表示线程池停止的时候,需要中断线程,
// 如果没有停止,则清除中断状态,确保未中断
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() && runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
beforeExecute(wt, task); // 回调方法
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); // 回调方法
}
} finally {
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly); // 退出时清理
}
}
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// 此处保证 SHUTDOWN 状态继续处理任务,STOP 状态停止处理
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
int wc = workerCountOf(c);
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize; // 是否关闭空闲线程
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut)) // 如果线程大于最大容量,或者允许关闭,且第一次没取到
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { // 返回空,最后由 processWorkerExit 清理
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
try {
// 是否超时获取
Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}

4. 停止线程池

public void shutdown() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess(); // 检查停止权限
advanceRunState(SHUTDOWN); // 设置线程池状态
interruptIdleWorkers(); // 设置所有线程中断
onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate(); // 继续执行等待队列中的任务,完毕后设置 TERMINATED 状态
}
public List<Runnable> shutdownNow() {
List<Runnable> tasks;
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
advanceRunState(STOP);
interruptWorkers();
tasks = drainQueue(); // 清空所有等待队列的任务,并返回
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
return tasks;
}

可以看到 shutdownNow 只比 shutdown 多了,清空等待队列,但是正在执行的任务还是会继续执行;

四、拒绝策略

之前提到了,提交任务失败的时候,会执行拒绝操作,在 JDk 中为我们提供了四种策略:

  • AbortPolicy:直接抛出 RejectedExecutionException 异常,这是默认的拒绝策略;
  • CallerRunsPolicy:由调用线程本身运行任务,以减缓提交速度;
  • DiscardPolicy:不处理,直接丢弃掉;
  • DiscardOldestPolicy:丢弃最老的任务,并执行当前任务;

五、Executors 工厂方法

另外就是根据线程池参数的不同,Executors 为我们提供了4种典型的用法:

SingleThreadExecutor:单线程的线程池,提交任务顺序执行;

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

如代码所示,就是最大线程、核心线程都是1,和无界队列组成的线程池,提交任务的时候就会,直接将任务加入队列顺序执行;

FixedThreadPool:固定线程数量线程池:

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

SingleThreadExecutor 一样,只是线程数量由用户决定;

CachedThreadPool:动态调节线程池;

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}

这里核心线程为0,队列是 SynchronousQueue 容量为1的阻塞队列,而线程数最大,存活60s,所以有任务的时候直接创建新的线程,超时空闲60s;

ScheduledThreadPool:定时任务线程池,功能同 Timer 类似,具体细节后续还会讲到;

总结

  • 决定线程池运行逻辑的主要有三个变量,核心线程大小,队列容量,线程池容量
  • 最后发现其实 Executors 提供的几种实现,都很典型;但是却容易发生 OOM ,所以最好还是自己手动创建比较好;
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