java高并发ThreadPoolExecutor类解析线程池执行流程

ThreadPoolExecutor是Java线程池中最核心的类之一，它能够保证线程池按照正常的业务逻辑执行任务，并通过原子方式更新线程池每个阶段的状态。

今天，我们通过ThreadPoolExecutor类的源码深度解析线程池执行任务的核心流程，小伙伴们最好是打开IDEA，按照冰河说的步骤，调试下ThreadPoolExecutor类的源码，这样会理解的更加深刻，好了，开始今天的主题。

核心逻辑概述

ThreadPoolExecutor是Java线程池中最核心的类之一，它能够保证线程池按照正常的业务逻辑执行任务，并通过原子方式更新线程池每个阶段的状态。

ThreadPoolExecutor类中存在一个workers工作线程集合，用户可以向线程池中添加需要执行的任务，workers集合中的工作线程可以直接执行任务，或者从任务队列中获取任务后执行。ThreadPoolExecutor类中提供了整个线程池从创建到执行任务，再到消亡的整个流程方法。本文，就结合ThreadPoolExecutor类的源码深度分析线程池执行任务的整体流程。

在ThreadPoolExecutor类中，线程池的逻辑主要体现在execute(Runnable)方法，addWorker(Runnable, boolean)方法，addWorkerFailed(Worker)方法和拒绝策略上，接下来，我们就深入分析这几个核心方法。

execute(Runnable)方法

execute(Runnable)方法的作用是提交Runnable类型的任务到线程池中。我们先看下execute(Runnable)方法的源码，如下所示。

1. public void execute(Runnable command) { 
2.     //如果提交的任务为空，则抛出空指针异常 
3.     if (command == null) 
4.         throw new NullPointerException(); 
5.     //获取线程池的状态和线程池中线程的数量 
6.     int c = ctl.get(); 
7.     //线程池中的线程数量小于corePoolSize的值 
8.     if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { 
9.         //重新开启线程执行任务 
10.         if (addWorker(command, true)) 
11.             return; 
12.         c = ctl.get(); 
13.     } 
14.     //如果线程池处于RUNNING状态，则将任务添加到阻塞队列中 
15.     if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { 
16.         //再次获取线程池的状态和线程池中线程的数量，用于二次检查 
17.         int recheck = ctl.get(); 
18.         //如果线程池没有未处于RUNNING状态，从队列中删除任务 
19.         if (! isRunning(recheck) && remove(command)) 
20.             //执行拒绝策略 
21.             reject(command); 
22.         //如果线程池为空，则向线程池中添加一个线程 
23.         else if (workerCountOf(recheck) == 0) 
24.             addWorker(null, false); 
25.     } 
26.     //任务队列已满，则新增worker线程，如果新增线程失败，则执行拒绝策略 
27.     else if (!addWorker(command, false)) 
28.         reject(command); 
29. } 

整个任务的执行流程，我们可以简化成下图所示。

接下来，我们拆解execute(Runnable)方法，具体分析execute(Runnable)方法的执行逻辑。

（1）线程池中的线程数是否小于corePoolSize核心线程数，如果小于corePoolSize核心线程数，则向workers工作线程集合中添加一个核心线程执行任务。代码如下所示。

1. //线程池中的线程数量小于corePoolSize的值 
2. if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { 
3.     //重新开启线程执行任务 
4.     if (addWorker(command, true)) 
5.         return; 
6.     c = ctl.get(); 
7. } 

（2）如果线程池中的线程数量大于corePoolSize核心线程数，则判断当前线程池是否处于RUNNING状态，如果处于RUNNING状态，则添加任务到待执行的任务队列中。注意：这里向任务队列添加任务时，需要判断线程池是否处于RUNNING状态，只有线程池处于RUNNING状态时，才能向任务队列添加新任务。否则，会执行拒绝策略。代码如下所示。

1. if (isRunning(c) && workQueue.offer(command))  

（3）向任务队列中添加任务成功，由于其他线程可能会修改线程池的状态，所以这里需要对线程池进行二次检查，如果当前线程池的状态不再是RUNNING状态，则需要将添加的任务从任务队列中移除，执行后续的拒绝策略。如果当前线程池仍然处于RUNNING状态，则判断线程池是否为空，如果线程池中不存在任何线程，则新建一个线程添加到线程池中，如下所示。

1. //再次获取线程池的状态和线程池中线程的数量，用于二次检查 
2. int recheck = ctl.get(); 
3. //如果线程池没有未处于RUNNING状态，从队列中删除任务 
4. if (! isRunning(recheck) && remove(command)) 
5.     //执行拒绝策略 
6.     reject(command); 
7. //如果线程池为空，则向线程池中添加一个线程 
8. else if (workerCountOf(recheck) == 0) 
9.     addWorker(null, false); 

（4）如果在步骤（3）中向任务队列中添加任务失败，则尝试开启新的线程执行任务。此时，如果线程池中的线程数量已经大于线程池中的最大线程数maximumPoolSize，则不能再启动新线程。此时，表示线程池中的任务队列已满，并且线程池中的线程已满，需要执行拒绝策略，代码如下所示。

1. //任务队列已满，则新增worker线程，如果新增线程失败，则执行拒绝策略 
2. else if (!addWorker(command, false)) 
3.     reject(command); 

这里，我们将execute(Runnable)方法拆解，结合流程图来理解线程池中任务的执行流程就比较简单了。可以这么说，execute(Runnable)方法的逻辑基本上就是一般线程池的执行逻辑，理解了execute(Runnable)方法，就基本理解了线程池的执行逻辑。

注意：有关ScheduledThreadPoolExecutor类和ForkJoinPool类执行线程池的逻辑，在【高并发专题】系列文章中的后文中会详细说明，理解了这些类的执行逻辑，就基本全面掌握了线程池的执行流程。

在分析execute(Runnable)方法的源码时，我们发现execute(Runnable)方法中多处调用了addWorker(Runnable, boolean)方法，接下来，我们就一起分析下addWorker(Runnable, boolean)方法的逻辑。

addWorker(Runnable, boolean)方法

总体上，addWorker(Runnable, boolean)方法可以分为三部分，第一部分是使用CAS安全的向线程池中添加工作线程；第二部分是创建新的工作线程；第三部分则是将任务通过安全的并发方式添加到workers中，并启动工作线程执行任务。

接下来，我们看下addWorker(Runnable, boolean)方法的源码，如下所示。

1. private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { 
2.     //标记重试的标识 
3.     retry: 
4.     for (;;) { 
5.         int c = ctl.get(); 
6.         int rs = runStateOf(c); 
7.         // 检查队列是否在某些特定的条件下为空 
8.         if (rs >= SHUTDOWN && 
9.             ! (rs == SHUTDOWN && 
10.                firstTask == null && 
11.                ! workQueue.isEmpty())) 
12.             return false; 
13.         //下面循环的主要作用为通过CAS方式增加线程的个数 
14.         for (;;) { 
15.             //获取线程池中的线程数量 
16.             int wc = workerCountOf(c); 
17.             //如果线程池中的线程数量超出限制，直接返回false 
18.             if (wc >= CAPACITY || 
19.                 wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) 
20.                 return false; 
21.             //通过CAS方式向线程池新增线程数量 
22.             if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) 
23.                 //通过CAS方式保证只有一个线程执行成功，跳出最外层循环 
24.                 break retry; 
25.             //重新获取ctl的值 
26.             c = ctl.get();   
27.             //如果CAS操作失败了，则需要在内循环中重新尝试通过CAS新增线程数量 
28.             if (runStateOf(c) != rs) 
29.                 continue retry; 
30.         } 
31.     } 
32.     //跳出最外层for循环，说明通过CAS新增线程数量成功 
33.     //此时创建新的工作线程 
34.     boolean workerStarted = false; 
35.     boolean workerAdded = false; 
36.     Worker w = null; 
37.     try { 
38.         //将执行的任务封装成worker 
39.         w = new Worker(firstTask); 
40.         final Thread t = w.thread; 
41.         if (t != null) { 
42.             //独占锁，保证操作workers时的同步 
43.             final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; 
44.             mainLock.lock(); 
45.             try { 
46.                 //此处需要重新检查线程池状态 
47.                 //原因是在获得锁之前可能其他的线程改变了线程池的状态 
48.                 int rs = runStateOf(ctl.get()); 
49.                 if (rs < SHUTDOWN || 
50.                     (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { 
51.                     if (t.isAlive()) 
52.                         throw new IllegalThreadStateException(); 
53.                     //向worker中添加新任务 
54.                     workers.add(w); 
55.                     int s = workers.size(); 
56.                     if (s > largestPoolSize) 
57.                         largestPoolSize = s; 
58.                     //将是否添加了新任务的标识设置为true 
59.                     workerAdded = true; 
60.                 } 
61.             } finally { 
62.                 //释放独占锁 
63.                 mainLock.unlock(); 
64.             } 
65.             //添加新任成功，则启动线程执行任务 
66.             if (workerAdded) { 
67.                 t.start(); 
68.                 //将任务是否已经启动的标识设置为true 
69.                 workerStarted = true; 
70.             } 
71.         } 
72.     } finally { 
73.         //如果任务未启动或启动失败，则调用addWorkerFailed(Worker)方法 
74.         if (! workerStarted) 
75.             addWorkerFailed(w); 
76.     } 
77.     //返回是否启动任务的标识 
78.     return workerStarted; 
79. } 

乍一看，addWorker(Runnable, boolean)方法还蛮长的，这里，我们还是将addWorker(Runnable, boolean)方法进行拆解。

（1）检查任务队列是否在某些特定的条件下为空，代码如下所示。

1. // 检查队列是否在某些特定的条件下为空 
2. if (rs >= SHUTDOWN && 
3.     ! (rs == SHUTDOWN && 
4.        firstTask == null && 
5.        ! workQueue.isEmpty())) 
6.     return false; 

（2）在通过步骤（1）的校验后，则进入内层for循环，在内层for循环中通过CAS来增加线程池中的线程数量，如果CAS操作成功，则直接退出双重for循环。如果CAS操作失败，则查看当前线程池的状态是否发生了变化，如果线程池的状态发生了变化，则通过continue关键字重新通过外层for循环校验任务队列，检验通过再次执行内层for循环的CAS操作。如果线程池的状态没有发生变化，此时上一次CAS操作失败了，则继续尝试CAS操作。代码如下所示。

1. for (;;) { 
2.     //获取线程池中的线程数量 
3.     int wc = workerCountOf(c); 
4.     //如果线程池中的线程数量超出限制，直接返回false 
5.     if (wc >= CAPACITY || 
6.         wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) 
7.         return false; 
8.     //通过CAS方式向线程池新增线程数量 
9.     if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) 
10.         //通过CAS方式保证只有一个线程执行成功，跳出最外层循环 
11.         break retry; 
12.     //重新获取ctl的值 
13.     c = ctl.get();   
14.     //如果CAS操作失败了，则需要在内循环中重新尝试通过CAS新增线程数量 
15.     if (runStateOf(c) != rs) 
16.         continue retry; 
17. } 

（3）CAS操作成功后，表示向线程池中成功添加了工作线程，此时，还没有线程去执行任务。使用全局的独占锁mainLock来将新增的工作线程Worker对象安全的添加到workers中。

总体逻辑就是：创建新的Worker对象，并获取Worker对象中的执行线程，如果线程不为空，则获取独占锁，获取锁成功后，再次检查线线程的状态，这是避免在获取独占锁之前其他线程修改了线程池的状态，或者关闭了线程池。如果线程池关闭，则需要释放锁。否则将新增加的线程添加到工作集合中，释放锁并启动线程执行任务。将是否启动线程的标识设置为true。最后，判断线程是否启动，如果没有启动，则调用addWorkerFailed(Worker)方法。最终返回线程是否起送的标识。

1. //跳出最外层for循环，说明通过CAS新增线程数量成功 
2. //此时创建新的工作线程 
3. boolean workerStarted = false; 
4. boolean workerAdded = false; 
5. Worker w = null; 
6. try { 
7.     //将执行的任务封装成worker 
8.     w = new Worker(firstTask); 
9.     final Thread t = w.thread; 
10.     if (t != null) { 
11.         //独占锁，保证操作workers时的同步 
12.         final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; 
13.         mainLock.lock(); 
14.         try { 
15.             //此处需要重新检查线程池状态 
16.             //原因是在获得锁之前可能其他的线程改变了线程池的状态 
17.             int rs = runStateOf(ctl.get()); 
18.             if (rs < SHUTDOWN || 
19.                 (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { 
20.                 if (t.isAlive()) 
21.                     throw new IllegalThreadStateException(); 
22.                 //向worker中添加新任务 
23.                 workers.add(w); 
24.                 int s = workers.size(); 
25.                 if (s > largestPoolSize) 
26.                     largestPoolSize = s; 
27.                 //将是否添加了新任务的标识设置为true 
28.                 workerAdded = true; 
29.             } 
30.         } finally { 
31.             //释放独占锁 
32.             mainLock.unlock(); 
33.         } 
34.         //添加新任成功，则启动线程执行任务 
35.         if (workerAdded) { 
36.             t.start(); 
37.             //将任务是否已经启动的标识设置为true 
38.             workerStarted = true; 
39.         } 
40.     } 
41. } finally { 
42.     //如果任务未启动或启动失败，则调用addWorkerFailed(Worker)方法 
43.     if (! workerStarted) 
44.         addWorkerFailed(w); 
45. } 
46. //返回是否启动任务的标识 
47. return workerStarted; 

addWorkerFailed(Worker)方法

在addWorker(Runnable, boolean)方法中，如果添加工作线程失败或者工作线程启动失败时，则会调用addWorkerFailed(Worker)方法，下面我们就来看看addWorkerFailed(Worker)方法的实现，如下所示。

1. private void addWorkerFailed(Worker w) { 
2.     //获取独占锁 
3.     final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; 
4.     mainLock.lock(); 
5.     try { 
6.         //如果Worker任务不为空 
7.         if (w != null) 
8.             //将任务从workers集合中移除 
9.             workers.remove(w); 
10.         //通过CAS将任务数量减1 
11.         decrementWorkerCount(); 
12.         tryTerminate(); 
13.     } finally { 
14.         //释放锁 
15.         mainLock.unlock(); 
16.     } 
17. } 

addWorkerFailed(Worker)方法的逻辑就比较简单了，获取独占锁，将任务从workers中移除，并且通过CAS将任务的数量减1，最后释放锁。

拒绝策略

我们在分析execute(Runnable)方法时，线程池会在适当的时候调用reject(Runnable)方法来执行相应的拒绝策略，我们看下reject(Runnable)方法的实现，如下所示。

1. final void reject(Runnable command) { 
2.     handler.rejectedExecution(command, this); 
3. } 

通过代码，我们发现调用的是handler的rejectedExecution方法，handler又是个什么鬼，我们继续跟进代码，如下所示。

1. private volatile RejectedExecutionHandler handler; 

再看看RejectedExecutionHandler是个啥类型，如下所示。

1. package java.util.concurrent; 
2. public interface RejectedExecutionHandler { 
3. void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor); 
4. } 

可以发现RejectedExecutionHandler是个接口，定义了一个rejectedExecution(Runnable, ThreadPoolExecutor)方法。既然RejectedExecutionHandler是个接口，那我们就看看有哪些类实现了RejectedExecutionHandler接口。

看到这里，我们发现RejectedExecutionHandler接口的实现类正是线程池默认提供的四种拒绝策略的实现类。

至于reject(Runnable)方法中具体会执行哪个类的拒绝策略，是根据创建线程池时传递的参数决定的。如果没有传递拒绝策略，则默认会执行AbortPolicy类的拒绝策略。否则会执行传递的类的拒绝策略。

在创建线程池时，除了能够传递JDK默认提供的拒绝策略外，还可以传递自定义的拒绝策略。如果想使用自定义的拒绝策略，则只需要实现RejectedExecutionHandler接口，并重写rejectedExecution(Runnable, ThreadPoolExecutor)方法即可。例如，下面的代码。

1. public class CustomPolicy implements RejectedExecutionHandler { 
2.     public CustomPolicy() { } 
3.     public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) { 
4.         if (!e.isShutdown()) { 
5.             System.out.println("使用调用者所在的线程来执行任务") 
6.             r.run(); 
7.         } 
8.     } 
9. } 

使用如下方式创建线程池。

1. new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 
2.    60L, TimeUnit.SECONDS, 
3.    new SynchronousQueue<Runnable>(), 
4.    Executors.defaultThreadFactory(), 
5.            new CustomPolicy());