【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

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？

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1private 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()));}

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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***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***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***使用线程池进入该状态

也可以按照 ThreadPoolExecutor 类的注释，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();

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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) { } } }}

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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***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);}}}

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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();}}}

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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(),new CustomPolicy());