JUC多线程之ThreadPoolExecutor类任务执行流程

ThreadPoolExecutor类：

ThreadPoolExecutor是我们最常用的一个线程池类，它实现了AbstractExecutorService接口。首先来看一下它的构造器及相关关键变量：

    // 这是其中的一个构造器，包含了线程池构造器的七大核心参数
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,  int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) {
        this.corePoolSize = corePoolSize; // 核心线程数
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize; // 最大线程数
        this.workQueue = workQueue; // 任务队列，可选择链表LinkedBlockingQueue或数组ArrayBlockingQueue实现
        this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime); // 非核心线程的存活时间，若要指定核心线程的存活时间，需设置allowCoreThreadTimeOut，// 存活时间单位
        this.threadFactory = threadFactory; // 线程工厂，一般使用Executors工具类中的defaultThreadFactory
        this.handler = handler; // 拒绝策略，包括四种，1. AbortPolicy抛出异常；2. CallerRunsPolicy由主线程自己执行任务；3. DiscardPolicy 直接丢弃任务；4. DiscardOldestPolicy 丢弃队列中等待时间最长的任务
    }

    // 关键变量：
    // ctl是ThreadPoolExecutor类中的一个状态标记字段，使用int类型AtomicInteger类型值存放，其中高三位存放运行状态，低29位存放线程数量。
    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
    // 运行状态存放在int类型高3位，共有五种状态：RUNNING，SHUDOWN,STOP,TIDYING,TERMINATED；注意其中只有RUNNING状态小于0；后面可据此判断是否为RUNNING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;

下面这张图介绍了ThreadPoolExecutor线程池的任务执行流程，即execute方法的执行流程

通过对比上图的执行流程，我们了解一下execute方法

    public void execute(Runnable command) {
        int c = ctl.get();
        // 如果当前工作线程小于核心线程，则新增工作线程并返回
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }

        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { // 如果当前执行器是running状态，并且将任务放入队列中
            int recheck = ctl.get();
            if (! isRunning(recheck) && remove(command)) // 再次判断，如果执行器状态不是running，则将队列中的任务移除，并执行拒绝策略
                reject(command);
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)  // 如果工作线程数为0，则添加非核心线程
                addWorker(null, false);
        } else if (!addWorker(command, false)) //如果添加非核心线程失败，则执行拒绝策略
            reject(command);
    }

相信通过上图结合方法中的注释内容，我们大体上了解了任务的执行流程，接着我们进一步了解一下addWorker方法：

    private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
        retry:
        for (int c = ctl.get();;) {
            // 如果执行器状态至少为SHUTDOWN并且运行状态至少为STOP或者任务不为空或者任务队列为空，则直接返回false
            if (runStateAtLeast(c, SHUTDOWN)
                && (runStateAtLeast(c, STOP)
                    || firstTask != null
                    || workQueue.isEmpty()))
                return false;

            for (;;) {
                // 如果当前线程数已经大于等于核心/最大线程数，则直接返回false
                if (workerCountOf(c)
                    >= ((core ? corePoolSize : maximumPoolSize) & COUNT_MASK))
                    return false;
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) // 如果CAS工作线程加1成功，则跳出循环
                    break retry;
                c = ctl.get();  // 再次获取ctl值
                if (runStateAtLeast(c, SHUTDOWN)) // 如果执行器状态至少为SHUTDOWN,则继续执行循环
                    continue retry;
            }
        }

        boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try {
            w = new Worker(firstTask); // 创建一个工作线程
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) {
                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
                mainLock.lock();
                try {
                    int c = ctl.get();
                    // 若为运行状态，workers数加一
                    if (isRunning(c) ||
                        (runStateLessThan(c, STOP) && firstTask == null)) {
                        if (t.isAlive())
                            throw new IllegalThreadStateException();
                        workers.add(w);
                        int s = workers.size();
                        if (s > largestPoolSize)
                            largestPoolSize = s;
                        workerAdded = true;
                    }
                } finally {
                    mainLock.unlock();
                }
                if (workerAdded) {
                    t.start(); // workers数添加成功了，则启动该线程执行任务
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w); // 线程启动失败，则移除workers中的该线程，同时ctl减一
        }
        return workerStarted;
    }

由上面的addWork方法我们可以知道，若添加worker则执行run方法，而查看源码我们可以知道，在run方法中调用的是runWork方法，下面我们继续来看一下runWork方法：

    // 任务执行主循环体
    final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        w.unlock();
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
            while (task != null || (task = getTask()) != null) { // 存在未执行的任务
                w.lock();
                // 条件一. 线程至少处于STOP状态或者线程被中断并且至少处于STOP状态
                // 条件二. 该线程没有被中断标记
                if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                     (Thread.interrupted() &&
                      runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                    !wt.isInterrupted())
                    wt.interrupt(); // 中断该线程
                try {
                    beforeExecute(wt, task); // 钩子方法，可自定义子类实现，清除ThreadLocals或者执行日志记录
                    try {
                        task.run();
                        afterExecute(task, null); // 钩子方法，自定义子类实现
                    } catch (Throwable ex) {
                        afterExecute(task, ex);
                        throw ex;
                    }
                } finally {
                    task = null;
                    w.completedTasks++;
                    w.unlock();
                }
            }
            completedAbruptly = false;
        } finally {
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
    }

在上面的runWork中采用了while的死循环方式，只要有未完成的任务就去执行，在这里是通过getTask方法来不断的获取队列中的任务，那接下来我们看一下getTask方法：

    // 阻塞或定时等待获取任务
    private Runnable getTask() {
        boolean timedOut = false;
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            // 如果执行器至少为SHUTDOWN状态，并且执行器至少到了STOP状态或者任务队列为空时，worker数减一，返回null值
            if (runStateAtLeast(c, SHUTDOWN)
                && (runStateAtLeast(c, STOP) || workQueue.isEmpty())) {
                decrementWorkerCount();
                return null;
            }
            // 如果worker数大于最大线程数或者超出存活时间，则线程数减一，返回null
            int wc = workerCountOf(c);
            boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
            if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
                && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
                if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                    return null;
                continue;
            }

            try {
                Runnable r = timed ? // 若线程数大于核心线程数，则有存活时间的等待获取队列中的任务，否则阻塞take任务
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take();
                if (r != null)
                    return r;
                timedOut = true;
            } catch (InterruptedException retry) {
                timedOut = false;
            }
        }
    }

经过上面的流程，大体上可以了解了ThreadPoolExecutor线程池的执行过程。