解析ThreadPoolExecutor类是如何保证线程池正确运行的

欠伸展肢体，吟咏心自愉。这篇文章主要讲述解析ThreadPoolExecutor类是如何保证线程池正确运行的相关的知识，希望能为你提供帮助。
本文分享自华为云社区《【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》，作者：冰河。
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？今天我们就一起来深入探讨下这些问题！
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1 private 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())); }

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()方法会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()方法，会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()方法，会使用线程池进入该状态

【解析ThreadPoolExecutor类是如何保证线程池正确运行的】也可以按照ThreadPoolExecutor类的，将线程池的各状态之间的转化总结成如下图所示。

文章图片

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();

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) { } } } }

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，该方法会将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); } } }

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(); } } }

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());

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