JUC核心篇(七)：线程池底层原理

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Java线程池底层原理

学习Java，我原来最怕的就是并发，因为我不懂底层原理，但是直面并发底层之后，我发现我对并发底层的设计，开始一点点起了兴趣，发现Doug Lea的代码写的确实不错，教授的水平是真的在线。并发离不开多线程，多线程又离不开线程池。因此，本文将沉浸式带你一起领略，Doug Lea大神的并发线程池底层实现逻辑。

先看这个线程池的局部常量，一起来了解一下。首先是CTL对象，ctl对象存储的是线程池的状态，这样很好理解，你可以从列举出来的五种线程池状态中看出端倪，状态存储使用的是线程安全原子类，AtomicInteger ，底层是Integer存储，Integer默认是4字节长度，一个字节占据8个比特位，一个Integer对象占据32字节比特位。因此，可以使用二进制Integer来表示多种数据，对于状态而言，线程池采用Integer的32为中3位比特来表示五种状态，这里解释一下为什么使用3个比特位：因为要表示五种状态，如果是两个比特位，那么就是2^2 = 4，最多能表达四种状态，如果是三个比特位，那么就是 2^3 = 8，能表达最多八个状态，因此采用三个二进制位来表示五种状态是足够的。

说到这里想必也清楚了为什么会有这段代码了吧，减去3就是这个目的。3代表的就是上面所述的含义。至于各种状态，其实就是位运算，这没有什么神秘的。COUNT_BITS 的核心作用是 划分线程池状态（runState）和有效线程数（workerCount）的二进制位边界。这是查阅了很多资料后给出的结论。线程池状态我们刚讲过了，有效线程数指的是什么呢？用低 29 位用于存储线程池的有效线程数。CAPACITY 是有效线程数的最大值（即 2^29 - 1），表示线程池最多可以容纳约 5.3 亿个线程（实际上不会达到这个值）。

源码中存在上面这三行代码，第一行是提取状态；第二行是提取线程数量。第三行将状态（rs）和线程数（wc）合并为一个 int 类型的 ctl 值。

这是线程池中默认的阻塞队列，用于存放当核心线程满了之后的任务队列。

这是底层保证Woker集合操作线程安全的锁，后面会介绍到。

底层使用的HashSet来存储Woker对象的，线程不安全，因此才会有mainLock。

最大线程池内的线程数量，每当创建一个线程，这个值就会刷新。

这就是底层Woker的核心实现，很明显，还是基于AQS实现的。

从总体到局部，接下来看局部。

一、线程池是如何执行任务的？

ThreadPoolExcutor中是通过public void execute(Runnable command) 来执行任务的。execute函数执行流程如下：

提交一个Runnable时，不管当前线程池中的线程是否空闲，只要数量小于核心线程数就会创建新线程。ThreadPoolExecutor相当于是非公平的，比如队列满了之后提交的Runnable可能会比正在排队的Runnable先执行，因为排队中的任务需要等待线程启动，而队列满了之后新的线程在总线程数小于配置的线程数的时候，是会启动新线程来执行的。

二、线程状态是如何切换

线程池一共就只有五种状态，这五种状态并非随意切换，而是需要从上一个状态切换到下一个状态。在线程池初始化的时候，默认是Running状态。线程池的这几种状态下，分别表示什么含义呢？首先是第一个Running状态，该状态下会接收新任务并且会处理队列中的任务；其次是SHUTDOWN状态，这是由于显式调用了shutDown函数之后，线程池的状态切换，从RUNNING状态切换到到了SHUTDOWN状态，此状态不会接受新的任务，但是会完处理队列中的任务。与之对应的则是STOP状态，此状态也是不会接受新的任务，但是他也不会继续处理队列中的任务，相反，他会中断处理中的任务，此状态一般是在RUNNING状态下，显式调用了shutDownNow函数导致的。当线程池中所有的线程都终止了，最后一个线程执行关闭的时候，此时workCount已经是0了，此时会将状态切换到TIDYING状态，一旦到达此状态之后，最后会执行线程池对象的terminated(),也就是线程池会最终关闭，terminated()函数调用了之后，线程池状态切换到最终状态，TERMINATED。

三、线程池中的线程如何关闭

3.1 常规关闭

常规关闭其实是基于Interrupt去进行中断后自行消亡的。说到这里其实可以参考底层显式调用的函数，shutdown与shutdownNow函数。这两个函数就是：

别看这里一个是中断线程，一个是中断空闲线程，首先这印证了我们之前所述，其次，不要迷惑怎么判断空闲与否的，进去看看就知道了：

看见了没，w.trylock()，在本小节最开始我用蓝色剪头标注了，那里有个unlock操作。很简单的道理：能获取锁，就说明当前线程空闲，锁不起来，说明当前线程不空闲，就是这么简单粗暴。

3.2 异常关闭

如果是因为因为执行过程中抛出异常导致线程关闭，需要看当前线程处于什么状态，如果是RUNNING状态，看当前线程池中已有的线程数量，如果大于核心线程数，并且任务队列已经满了，会自然消亡，不会替补线程。但是如果数量小于核心线程数，会自动替补一个firstTask值为nul的worker。

其实这里有一个比较有意思的点，我一开始也没有看出来，是通过看别的讲师讲课的时候发现的：

这里，其实存在一个线程补偿机制。上面说了，1异常的时候，此时completedAbruptly 是true，因此会直接走addWorker函数。但是如果completedAbruptly不是true而是false的时候呢？此时c小于STOP，只有两种状态，不是RUNNING就是SHUTDOWN。

下面的代码意思是，先获取当前状态下，线程池至少需要多少线程，假设走了min=1，那么也就是说可能是如下意思：出于SHUTDOWN状态的线程池中，任务队列还有待完成的线程，因此需要至少一个线程来完成任务，所以还会去统计worker的数量，所以有一个workerCount函数，如果发现当前workerCount数量大于最低要求数量，那么就不需要做线程补偿机制，如果发现小于，则需要add一个worker。

未完待续…