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  • JDK源码分析之concurrent包（二） -- 线程池ThreadPoolExecutor

    　　上一篇我们简单描述了Executor框架的结构，本篇正式开始并发包中部分源码的解读。

    　　我们知道，目前主流的商用虚拟机在线程的实现上可能会有所差别。但不管如何实现，在开启和关闭线程时一定会耗费很多CPU资源，甚至在线程的挂起和恢复JDK1.6都做了自旋锁的优化。所以，使用线程池来管理和执行多线程任务会大大提高程序执行效率。关于使用线程池的优点这里不做过多说明，我们直接进入Java5并发包中ThreadPoolExecutor的实现的源码。

    在解读源码前，我们先来看看创建线程池的一般做法和线程池的几种类别：

    1 Executors.newFixedThreadPool(int nThreads); // 创建一个固定线程数的线程池
2 Executors.newScheduledThreadPool(int nThreads); // 创建一个可对线程进行时间调度的线程池
3 Executors.newCachedThreadPool(); // 创建一个可缓冲的无线程数量界限(Integer.MAX_VALUE)的线程池
4 Executors.newSingleThreadExecutor(); // 创建一个可复用的单一线程的线程池

    我们重点来看1、3、4条，在Executors中如何实现的

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

    可以看到，差别只是ThreadPoolExecutor的构造方法的参数不同，下面来看看ThreadPoolExecutor的构造方法的参数（按顺序）：

    • corePoolSize - 池中所保存的线程数，包括空闲线程。
    • maximumPoolSize - 池中允许的最大线程数。
    • keepAliveTime - 当线程数大于核心时，此为终止前多余的空闲线程等待新任务的最长时间。
    • unit - keepAliveTime 参数的时间单位。
    • workQueue - 执行前用于保持任务的队列。此队列仅保持由 execute 方法提交的 Runnable 任务。
    • threadFactory - 执行程序创建新线程时使用的工厂。
    • handler - 由于超出线程范围和队列容量而使执行被阻塞时所使用的处理程序。

    从参数说明中看出，1、3、4中的线程池主要是“核心线程数”和“最大线程数”的差别，而keepAliveTime和workQueue的差别是由“核心线程数”和“最大线程数”是否相等来决定的。那么“核心线程数”和“最大线程数”分别代表什么？带着这个疑问进入execute方法，源码如下：

     1 public void execute(Runnable command) {
 2     if (command == null)
 3         throw new NullPointerException();
 4     if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {
 5         if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
 6             if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
 7                 ensureQueuedTaskHandled(command);
 8         }
 9         else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
10             reject(command); // is shutdown or saturated
11     }
12 }

    第4行的代码表达一件事：当线程池中当前线程数小于核心线程数时，执行addIfUnderCorePoolSize(command)方法，并且执行成功后不再执行后面的逻辑。那我们就来看看这个addIfUnderCorePoolSize(command)方法做了什么：

     1 /**
 2  * Creates and starts a new thread running firstTask as its first
 3  * task, only if fewer than corePoolSize threads are running
 4  * and the pool is not shut down.
 5  * @param firstTask the task the new thread should run first (or
 6  * null if none)
 7  * @return true if successful
 8  */
 9 private boolean addIfUnderCorePoolSize(Runnable firstTask) {
10     Thread t = null;
11     final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
12     mainLock.lock();
13     try {
14         if (poolSize < corePoolSize && runState == RUNNING)
15             t = addThread(firstTask);
16     } finally {
17         mainLock.unlock();
18     }
19     if (t == null)
20         return false;
21     t.start();
22     return true;
23 }

     方法注释的主要意思是：当运行线程少于核心线程时，就创建并运行一个新的线程。代码的第15行创建了一个新的线程，第21行运行了这个线程。接下来看看如何创建的这个线程：

     1 private Thread addThread(Runnable firstTask) {
 2     Worker w = new Worker(firstTask);
 3     Thread t = threadFactory.newThread(w);
 4     if (t != null) {
 5         w.thread = t;
 6         workers.add(w);
 7         int nt = ++poolSize;
 8         if (nt > largestPoolSize)
 9             largestPoolSize = nt;
10     }
11     return t;
12 }

    第二行可以看到，线程池中真正执行的线程是由名为Worker的内部类来执行的，关于Worker的主要结构和方法如下：

    （注：addThread方法的注释中强调了要在持有mainLock的锁时才能调用，mainLock锁在线程池的安全并发的实现中担任着非常重要的角色，并且对于firstTask，有一点不同的逻辑在，由于篇幅有限，本文这里不做重点解读了）

     1 private final class Worker implements Runnable {
 2 
 3   // others codes
 4 
 5   /**
 6    * Main run loop
 7    */
 8   public void run() {
 9       try {
10           Runnable task = firstTask;
11           firstTask = null;
12           while (task != null || (task = getTask()) != null) {
13               runTask(task);
14               task = null;
15           }
16       } finally {
17           workerDone(this);
18       }
19   }
20 }

    可以看到，Worker实现了Runnable接口，线程池中执行的线程其实是Worker的run()方法。而第13行的runTask(task)方法的实现是直接调用了提交到线程池中的Runnable任务的run方法（具体代码请自行查看源码，这里不再列出，其中还包含一些针对shutdown和shutdownNow的逻辑），还有比较重要的是第12行的getTask()方法，最后来看getTask()的源码：

     1 Runnable getTask() {
 2     for (;;) {
 3         try {
 4             int state = runState;
 5             if (state > SHUTDOWN)
 6                 return null;
 7             Runnable r;
 8             if (state == SHUTDOWN)  // Help drain queue
 9                 r = workQueue.poll();
10             else if (poolSize > corePoolSize || allowCoreThreadTimeOut)
11                 r = workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS);
12             else
13                 r = workQueue.take();
14             if (r != null)
15                 return r;
16             if (workerCanExit()) {
17                 if (runState >= SHUTDOWN) // Wake up others
18                     interruptIdleWorkers();
19                 return null;
20             }
21             // Else retry
22         } catch (InterruptedException ie) {
23             // On interruption, re-check runState
24         }
25     }
26 }

    以上代码第13行将线程池保持线程不关闭的实现已经展示出来了：由一个死循环不断的从队列中取出提交到线程池中的Runnable任务，然后直接调用其run()方法即可。

    基于这个原理，我们就会很容易的看懂其它的一些特性。

    让我们先回头看看关于“核心线程”的源码，回到最开始的execute()的源码：

     1 public void execute(Runnable command) {
 2     if (command == null)
 3         throw new NullPointerException();
 4     if (poolSize >= corePoolSize || !addIfUnderCorePoolSize(command)) {
 5         if (runState == RUNNING && workQueue.offer(command)) {
 6             if (runState != RUNNING || poolSize == 0)
 7                 ensureQueuedTaskHandled(command);
 8         }
 9         else if (!addIfUnderMaximumPoolSize(command))
10             reject(command); // is shutdown or saturated
11     }
12 }

    前面我们说根据第4行，当线程池中当前线程数小于核心线程数时，执行addIfUnderCorePoolSize(command)方法并不再执行后面的代码。而当当前线程数大于等于核心线程数时，就会直接执行第5行的workQueue.offer(command)，将新任务添加到名为workQueue队列中，也就是死循环中不断取Runnable任务的队列。这里这个workQueue是由构造方法传进来的workQueue队列。通过Executors创建线程池的1、3、4条种类可以看出，核心线程=最大线程的线程池，使用最大容量（Integer.MAX_VALUE）的LinkedBlockingQueue队列，就是说，线程池无法扩展，超出的Runnable任务全部进入阻塞队列中，等待Worker执行完。而核心线程<最大线程的线程池，使用无容量的SynchronousQueue队列，就是说，线程池可以无限扩展，扩展的线程全部新建Worker并执行。但根据getTask()方法的第10行和第11行，超出核心线程数的Worker，空闲时只会存活keepAliveTime时间（构造方法的参数）。

    OK，到这里，通过源码已经解释了ThreadPoolExecutor线程池主要的特性的实现原理。

    上面罗里吧嗦的一大堆主要说明了JDK源码中实现的ThreadPoolExecutor线程池的以下几个主要特性（来自JDK API的描述）：

    核心线程数与最大线程数的意义：

    ThreadPoolExecutor将根据corePoolSize和maximumPoolSize设置的边界自动调整池大小。当新任务在方法 execute(java.lang.Runnable)中提交时，如果运行的线程少于corePoolSize，则创建新线程来处理请求，即使其他辅助线程是空闲的。如果运行的线程多于corePoolSize而少于maximumPoolSize，则仅当队列满时才创建新线程。如果设置的corePoolSize和maximumPoolSize相同，则创建了固定大小的线程池。如果将 maximumPoolSize设置为基本的无界值（如Integer.MAX_VALUE），则允许池适应任意数量的并发任务。

    保持活动时间：

    如果池中当前有多于 corePoolSize 的线程，则这些多出的线程在空闲时间超过 keepAliveTime 时将会终止

    排队：

    所有 BlockingQueue 都可用于传输和保持提交的任务。可以使用此队列与池大小进行交互：

    • 如果运行的线程少于 corePoolSize，则 Executor 始终首选添加新的线程，而不进行排队。
    • 如果运行的线程等于或多于 corePoolSize，则 Executor 始终首选将请求加入队列，而不添加新的线程。
    • 如果无法将请求加入队列，则创建新的线程，除非创建此线程超出 maximumPoolSize，在这种情况下，任务将被拒绝。 

    其它的特性，如终止线程池的几种方式及被拒绝的任务由构造方法传入的handler处理等本文并未给出源码解读，感兴趣的读者可自行查看JDK源码。

    另外，关于ThreadPoolExecutor的子类ScheduledThreadPoolExecutor，本文不打算详细介绍了。其核心原理是一样的，只是多了“Schedule”的功能。而这个任务调度的功能是通过构造时传入的DelayQueue来实现的，大家如果感兴趣可以看下DelayQueue的介绍：“Delayed元素的一个无界阻塞队列，只有在延迟期满时才能从中提取元素”。“延迟期满”的原理是通过lock包中ReadWriteLock锁获取的Condition的awaitNanos(long nanosTimeout)方法来实现的。

    总结

    本文通过部分关键处源码的解读，介绍了ThreadPoolExecutor线程池的实现原理。我个人简单总结为两点：

    • 线程池中真正执行的线程是由名为Worker的内部类来执行的
    • 执行的方式是由一个死循环不断的从队列中取出提交到线程池中的Runnable任务，然后直接调用其run()方法

    这两点只是做概括，真正展开来描述，还是有很多细节的。 
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