[Java] Java核心（2）深入理解线程池ThreadPool

// 使用Executors方式创建
ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
ScheduledExecutorService singleThreadScheduledExecutor = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(2);
ExecutorService workStealingPool = Executors.newWorkStealingPool();
// 原始创建方式
ThreadPoolExecutor tp = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 10L, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()); 

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;
}

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

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

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

public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor() {
　　return new DelegatedScheduledExecutorService(new ScheduledThreadPoolExecutor(1));
} 

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
　　return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
} 

ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
singleThreadExecutor.execute(new Runnable() {
　　@Override
　　public void run() {
　　　　System.out.println(Thread.currentThread().getName());
　　}
}); 

ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
executorService.submit(new Runnable() {
　　@Override
　　public void run() {
　　　　System.out.println(Thread.currentThread().getName());
　　}
});

ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
Future<Long> result = executorService.submit(new Callable<Long>() {
　　@Override
　　public Long call() throws Exception {
　　　　return new Date().getTime();
　　}
});
try {
　　System.out.println("运行结果：" + result.get());
} catch (InterruptedException e) {
　　e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
　　e.printStackTrace();
}

// 延迟线程池
ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(2);
scheduledThreadPool.schedule(new Runnable() {
　　@Override
　　public void run() {
　　　　System.out.println("time:" + new Date().getTime());
　　}
}, 10, TimeUnit.SECONDS);

public void execute(Runnable command) {
　　if (command == null)
　　　　throw new NullPointerException();
　　int c = ctl.get();

　　// 如果当前线程数少于核心线程数，那么直接添加一个 worker 来执行任务，
　　// 创建一个新的线程，并把当前任务 command 作为这个线程的第一个任务(firstTask)
　　if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
　　　　// 添加任务成功，那么就结束了。提交任务嘛，线程池已经接受了这个任务，这个方法也就可以返回了
　　　　// 至于执行的结果，到时候会包装到 FutureTask 中。
　　　　// 返回 false 代表线程池不允许提交任务
　　　　if (addWorker(command, true))
　　　　　　return;
　　　　c = ctl.get();
　　}
　　// 到这里说明，要么当前线程数大于等于核心线程数，要么刚刚 addWorker 失败了

　　// 如果线程池处于 RUNNING 状态，把这个任务添加到任务队列 workQueue 中
　　if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
　　　　/* 这里面说的是，如果任务进入了 workQueue，我们是否需要开启新的线程
　　　　* 因为线程数在 [0, corePoolSize) 是无条件开启新的线程
　　　　* 如果线程数已经大于等于 corePoolSize，那么将任务添加到队列中，然后进到这里
　　　　*/
　　　　int recheck = ctl.get();
　　　　// 如果线程池已不处于 RUNNING 状态，那么移除已经入队的这个任务，并且执行拒绝策略
　　　　if (! isRunning(recheck) && remove(command))
　　　　　　reject(command);
　　　　// 如果线程池还是 RUNNING 的，并且线程数为 0，那么开启新的线程
　　　　// 到这里，我们知道了，这块代码的真正意图是：担心任务提交到队列中了，但是线程都关闭了
　　　　else if (workerCountOf(recheck) == 0)
　　　　　　addWorker(null, false);
　　}
　　// 如果 workQueue 队列满了，那么进入到这个分支
　　// 以 maximumPoolSize 为界创建新的 worker，
　　// 如果失败，说明当前线程数已经达到 maximumPoolSize，执行拒绝策略
　　else if (!addWorker(command, false))
　　　　reject(command);
} 

// 第一个参数是准备提交给这个线程执行的任务，之前说了，可以为 null
// 第二个参数为 true 代表使用核心线程数 corePoolSize 作为创建线程的界线，也就说创建这个线程的时候，
// 如果线程池中的线程总数已经达到 corePoolSize，那么不能响应这次创建线程的请求
// 如果是 false，代表使用最大线程数 maximumPoolSize 作为界线
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
　　retry:
　　for (;;) {
　　　　int c = ctl.get();
　　　　int rs = runStateOf(c);

　　　　// 这个非常不好理解
　　　　// 如果线程池已关闭，并满足以下条件之一，那么不创建新的 worker：
　　　　// 1. 线程池状态大于 SHUTDOWN，其实也就是 STOP, TIDYING, 或 TERMINATED
　　　　// 2. firstTask != null
　　　　// 3. workQueue.isEmpty()
　　　　// 简单分析下：
　　　　// 还是状态控制的问题，当线程池处于 SHUTDOWN 的时候，不允许提交任务，但是已有的任务继续执行
　　　　// 当状态大于 SHUTDOWN 时，不允许提交任务，且中断正在执行的任务
　　　　// 多说一句：如果线程池处于 SHUTDOWN，但是 firstTask 为 null，且 workQueue 非空，那么是允许创建 worker 的
　　　　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;
　　　　　　// 如果成功，那么就是所有创建线程前的条件校验都满足了，准备创建线程执行任务了
　　　　　　// 这里失败的话，说明有其他线程也在尝试往线程池中创建线程
　　　　　　if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
　　　　　　　　break retry;
　　　　　　// 由于有并发，重新再读取一下 ctl
　　　　　　c = ctl.get();
　　　　　　// 正常如果是 CAS 失败的话，进到下一个里层的for循环就可以了
　　　　　　// 可是如果是因为其他线程的操作，导致线程池的状态发生了变更，如有其他线程关闭了这个线程池
　　　　　　// 那么需要回到外层的for循环
　　　　　　if (runStateOf(c) != rs)
　　　　　　　　continue retry;
　　　　　　// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
　　　　}
　　}

　　/* 
　　* 到这里，我们认为在当前这个时刻，可以开始创建线程来执行任务了，
　　* 因为该校验的都校验了，至于以后会发生什么，那是以后的事，至少当前是满足条件的
　　*/

　　// worker 是否已经启动
　　boolean workerStarted = false;
　　// 是否已将这个 worker 添加到 workers 这个 HashSet 中
　　boolean workerAdded = false;
　　Worker w = null;
　　try {
　　　　final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
　　　　// 把 firstTask 传给 worker 的构造方法
　　　　w = new Worker(firstTask);
　　　　// 取 worker 中的线程对象，之前说了，Worker的构造方法会调用 ThreadFactory 来创建一个新的线程
　　　　final Thread t = w.thread;
　　　　if (t != null) {
　　　　　　// 这个是整个类的全局锁，持有这个锁才能让下面的操作“顺理成章”，
　　　　　　// 因为关闭一个线程池需要这个锁，至少我持有锁的期间，线程池不会被关闭
　　　　　　mainLock.lock();
　　　　　　try {

　　　　　　　　int c = ctl.get();
　　　　　　　　int rs = runStateOf(c);

　　　　　　　　// 小于 SHUTTDOWN 那就是 RUNNING，这个自不必说，是最正常的情况
　　　　　　　　// 如果等于 SHUTDOWN，前面说了，不接受新的任务，但是会继续执行等待队列中的任务
　　　　　　　　if (rs < SHUTDOWN || (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
　　　　　　　　　　// worker 里面的 thread 可不能是已经启动的
　　　　　　　　　　if (t.isAlive())
　　　　　　　　　　　　throw new IllegalThreadStateException();
　　　　　　　　　　// 加到 workers 这个 HashSet 中
　　　　　　　　　　workers.add(w);
　　　　　　　　　　int s = workers.size();
　　　　　　　　　　// largestPoolSize 用于记录 workers 中的个数的最大值
　　　　　　　　　　// 因为 workers 是不断增加减少的，通过这个值可以知道线程池的大小曾经达到的最大值
　　　　　　　　　　if (s > largestPoolSize)
　　　　　　　　　　　　largestPoolSize = s;
　　　　　　　　　　workerAdded = true;
　　　　　　　　}
　　　　　　} finally {
　　　　　　　　mainLock.unlock();
　　　　　　}
　　　　　　// 添加成功的话，启动这个线程
　　　　　　if (workerAdded) {
　　　　　　　　// 启动线程
　　　　　　　　t.start();
　　　　　　　　workerStarted = true;
　　　　　　}
　　　　}
　　} finally {
　　　　// 如果线程没有启动，需要做一些清理工作，如前面 workCount 加了 1，将其减掉
　　　　if (! workerStarted)
　　　　　　addWorkerFailed(w);
　　}
　　// 返回线程是否启动成功
　　return workerStarted;
}

public void run() {
　　runWorker(this);
}

// worker 线程启动后调用,while 循环(即自旋!)不断从等待队列获取任务并执行
// worker 初始化时，可指定 firstTask，那么第一个任务也就可以不需要从队列中获取
final void runWorker(Worker w) {
　　Thread wt = Thread.currentThread();
　　// 该线程的第一个任务(若有)
　　Runnable task = w.firstTask;
　　w.firstTask = null;
　　// 允许中断
　　w.unlock(); 
　　boolean completedAbruptly = true;
　　try {
　　　　// 循环调用 getTask 获取任务
　　　　while (task != null || (task = getTask()) != null) {
　　　　　　w.lock(); 
　　　　　　// 若线程池状态大于等于 STOP，那么意味着该线程也要中断
　　　　　　/**
　　　　　　* 若线程池STOP，请确保线程 已被中断
　　　　　　* 如果没有，请确保线程未被中断
　　　　　　* 这需要在第二种情况下进行重新检查，以便在关中断时处理shutdownNow竞争
　　　　　　*/　　
　　　　　　if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
　　　　　　　　(Thread.interrupted() &&
　　　　　　　　runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
　　　　　　　　!wt.isInterrupted())
　　　　　　　　wt.interrupt();
　　　　　　try {
　　　　　　　　// 这是一个钩子方法，留给需要的子类实现
　　　　　　　　beforeExecute(wt, task);
　　　　　　　　Throwable thrown = null;
　　　　　　　　try {
　　　　　　　　　　// 到这里终于可以执行任务了
　　　　　　　　　　task.run();
　　　　　　　　} catch (RuntimeException x) {
　　　　　　　　　　thrown = x; throw x;
　　　　　　　　} catch (Error x) {
　　　　　　　　　　thrown = x; throw x;
　　　　　　　　} catch (Throwable x) {
　　　　　　　　　　// 这里不允许抛出 Throwable，所以转换为 Error
　　　　　　　　　　thrown = x; throw new Error(x);
　　　　　　　　} finally {
　　　　　　　　　　// 也是一个钩子方法，将 task 和异常作为参数，留给需要的子类实现
　　　　　　　　　　afterExecute(task, thrown);
　　　　　　　　}
　　　　　　} finally {
　　　　　　　　// 置空 task，准备 getTask 下一个任务
　　　　　　　　task = null;
　　　　　　　　// 累加完成的任务数
　　　　　　　　w.completedTasks++;
　　　　　　　　// 释放掉 worker 的独占锁
　　　　　　　　w.unlock();
　　　　　　}
　　　　}
　　　　completedAbruptly = false;
　　} finally {
　　　　// 到这里，需要执行线程关闭
　　　　// 1. 说明 getTask 返回 null，也就是说，这个 worker 的使命结束了，执行关闭
　　　　// 2. 任务执行过程中发生了异常
　　　　// 第一种情况，已经在代码处理了将 workCount 减 1，这个在 getTask 方法分析中说
　　　　// 第二种情况，workCount 没有进行处理，所以需要在 processWorkerExit 中处理
　　　　processWorkerExit(w, completedAbruptly);
　　}
} 

// 此方法有三种可能
// 1. 阻塞直到获取到任务返回。默认 corePoolSize 之内的线程是不会被回收的，它们会一直等待任务
// 2. 超时退出。keepAliveTime 起作用的时候，也就是如果这么多时间内都没有任务，那么应该执行关闭
// 3. 如果发生了以下条件，须返回 null
// 池中有大于 maximumPoolSize 个 workers 存在(通过调用 setMaximumPoolSize 进行设置)
// 线程池处于 SHUTDOWN，而且 workQueue 是空的，前面说了，这种不再接受新的任务
// 线程池处于 STOP，不仅不接受新的线程，连 workQueue 中的线程也不再执行
private Runnable getTask() {
　　boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
　　for (;;) {
　　　　// 允许核心线程数内的线程回收，或当前线程数超过了核心线程数，那么有可能发生超时关闭
　　　　// 这里 break，是为了不往下执行后一个 if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
　　　　// 两个 if 一起看：如果当前线程数 wc > maximumPoolSize，或者超时，都返回 null
　　　　// 那这里的问题来了，wc > maximumPoolSize 的情况，为什么要返回 null？
　　　　// 换句话说，返回 null 意味着关闭线程。
　　　　// 那是因为有可能开发者调用了 setMaximumPoolSize 将线程池的 maximumPoolSize 调小了
　　　　// 如果此 worker 发生了中断，采取的方案是重试
　　　　// 解释下为什么会发生中断，这个读者要去看 setMaximumPoolSize 方法，
　　　　// 如果开发者将 maximumPoolSize 调小了，导致其小于当前的 workers 数量，
　　　　// 那么意味着超出的部分线程要被关闭。重新进入 for 循环，自然会有部分线程会返回 null
　　　　int c = ctl.get();
　　　　int rs = runStateOf(c);
　　　　// Check if queue empty only if necessary.
　　　　if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
　　　　　　// CAS 操作，减少工作线程数
　　　　　　decrementWorkerCount();
　　　　　　return null;
　　　　}
　　　　int wc = workerCountOf(c);
　　　　// 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;
　　　　}
　　　　try {
　　　　　　Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take();
　　　　　　if (r != null)
　　　　　　　　return r;
　　　　　　timedOut = true;
　　　　} catch (InterruptedException retry) {
　　　　　　// 如果此 worker 发生了中断，采取的方案是重试
　　　　　　// 解释下为什么会发生中断，这个读者要去看 setMaximumPoolSize 方法，
　　　　　　// 如果开发者将 maximumPoolSize 调小了，导致其小于当前的 workers 数量，
　　　　　　// 那么意味着超出的部分线程要被关闭。重新进入 for 循环，自然会有部分线程会返回 null
　　　　　　timedOut = false;
　　　　}
　　}
}