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Java線程池ThreadPoolExecutor使用和分析(一)
Java線程池ThreadPoolExecutor使用和分析(二) - execute()原理
Java線程池ThreadPoolExecutor使用和分析(三) - 終止線程池原理
execute()是 java.util.concurrent.Executor接口中唯一的方法，JDK注釋中的描述是“在未來的某一時刻執行指令command”，即向線程池中送出任務，在未來某個時刻執行，送出的任務必須實作Runnable接口，該送出方式不能擷取傳回值。下面是對execute()方法内部原理的分析，分析前先簡單介紹線程池有哪些狀态，在一系列執行過程中涉及線程池狀态相關的判斷。以下分析基于JDK 1.7
以下是本文的目錄大綱：
一、線程池執行流程
二、線程池狀态
三、任務送出内部原理
1、execute() -- 送出任務
2、addWorker() -- 添加worker線程
3、内部類Worker
4、runWorker() -- 執行任務
5、getTask() -- 擷取任務
6、processWorkerExit() -- worker線程退出
若有不正之處請多多諒解，歡迎批評指正、互相讨論。
請尊重作者勞動成果，轉載請标明原文連結：
http://www.cnblogs.com/trust-freedom/p/6681948.html
1、如果線程池中的線程數量少于corePoolSize，就建立新的線程來執行新添加的任務
2、如果線程池中的線程數量大于等于corePoolSize，但隊列workQueue未滿，則将新添加的任務放到workQueue中
3、如果線程池中的線程數量大于等于corePoolSize，且隊列workQueue已滿，但線程池中的線程數量小于maximumPoolSize，則會建立新的線程來處理被添加的任務
4、如果線程池中的線程數量等于了maximumPoolSize，就用RejectedExecutionHandler來執行拒絕政策
其中ctl這個AtomicInteger的功能很強大，其高3位用于維護線程池運作狀态，低29位維護線程池中線程數量
1、RUNNING：-1<<COUNT_BITS，即高3位為1，低29位為0，該狀态的線程池會接收新任務，也會處理在阻塞隊列中等待處理的任務
2、SHUTDOWN：0<<COUNT_BITS，即高3位為0，低29位為0，該狀态的線程池不會再接收新任務，但還會處理已經送出到阻塞隊列中等待處理的任務
3、STOP：1<<COUNT_BITS，即高3位為001，低29位為0，該狀态的線程池不會再接收新任務，不會處理在阻塞隊列中等待的任務，而且還會中斷正在運作的任務
4、TIDYING：2<<COUNT_BITS，即高3位為010，低29位為0，所有任務都被終止了，workerCount為0，為此狀态時還将調用terminated()方法
5、TERMINATED：3<<COUNT_BITS，即高3位為100，低29位為0，terminated()方法調用完成後變成此狀态
這些狀态均由int型表示，大小關系為 RUNNING<SHUTDOWN<STOP<TIDYING<TERMINATED，這個順序基本上也是遵循線程池從 運作 到 終止這個過程。
runStateOf(int c) 方法：c & 高3位為1，低29位為0的~CAPACITY，用于擷取高3位儲存的線程池狀态
workerCountOf(int c)方法：c & 高3位為0，低29位為1的CAPACITY，用于擷取低29位的線程數量
ctlOf(int rs, int wc)方法：參數rs表示runState，參數wc表示workerCount，即根據runState和workerCount打包合并成ctl
1、execute() -- 送出任務
execute(Runnable command)
參數：
command 送出執行的任務，不能為空
執行流程：
1、如果線程池目前線程數量少于corePoolSize，則addWorker(command, true)建立新worker線程，如建立成功傳回，如沒建立成功，則執行後續步驟；
addWorker(command, true)失敗的原因可能是：
A、線程池已經shutdown，shutdown的線程池不再接收新任務
B、workerCountOf(c) < corePoolSize 判斷後，由于并發，别的線程先建立了worker線程，導緻workerCount>=corePoolSize
2、如果線程池還在running狀态，将task加入workQueue阻塞隊列中，如果加入成功，進行double-check，如果加入失敗（可能是隊列已滿），則執行後續步驟；
double-check主要目的是判斷剛加入workQueue阻塞隊列的task是否能被執行
A、如果線程池已經不是running狀态了，應該拒絕添加新任務，從workQueue中删除任務
B、如果線程池是運作狀态，或者從workQueue中删除任務失敗（剛好有一個線程執行完畢，并消耗了這個任務），確定還有線程執行任務（隻要有一個就夠了）
3、如果線程池不是running狀态 或者 無法入隊列，嘗試開啟新線程，擴容至maxPoolSize，如果addWork(command, false)失敗了，拒絕目前command
2、addWorker() -- 添加worker線程
addWorker(Runnable firstTask, boolean core)
firstTask： worker線程的初始任務，可以為空
core： true：将corePoolSize作為上限，false：将maximumPoolSize作為上限
addWorker方法有4種傳參的方式：
1、addWorker(command, true)
2、addWorker(command, false)
3、addWorker(null, false)
4、addWorker(null, true)
在execute方法中就使用了前3種，結合這個核心方法進行以下分析
第一個：線程數小于corePoolSize時，放一個需要處理的task進Workers Set。如果Workers Set長度超過corePoolSize，就傳回false
第二個：當隊列被放滿時，就嘗試将這個新來的task直接放入Workers Set，而此時Workers Set的長度限制是maximumPoolSize。如果線程池也滿了的話就傳回false
第三個：放入一個空的task進workers Set，長度限制是maximumPoolSize。這樣一個task為空的worker線上程執行的時候會去任務隊列裡拿任務，這樣就相當于建立了一個新的線程，隻是沒有馬上配置設定任務
第四個：這個方法就是放一個null的task進Workers Set，而且是在小于corePoolSize時，如果此時Set中的數量已經達到corePoolSize那就傳回false，什麼也不幹。實際使用中是在prestartAllCoreThreads()方法，這個方法用來為線程池預先啟動corePoolSize個worker等待從workQueue中擷取任務執行
1、判斷線程池目前是否為可以添加worker線程的狀态，可以則繼續下一步，不可以return false：
A、線程池狀态>shutdown，可能為stop、tidying、terminated，不能添加worker線程
B、線程池狀态==shutdown，firstTask不為空，不能添加worker線程，因為shutdown狀态的線程池不接收新任務
C、線程池狀态==shutdown，firstTask==null，workQueue為空，不能添加worker線程，因為firstTask為空是為了添加一個沒有任務的線程再從workQueue擷取task，而workQueue為空，說明添加無任務線程已經沒有意義
2、線程池目前線程數量是否超過上限（corePoolSize 或 maximumPoolSize），超過了return false，沒超過則對workerCount+1，繼續下一步
3、線上程池的ReentrantLock保證下，向Workers Set中添加新建立的worker執行個體，添加完成後解鎖，并啟動worker線程，如果這一切都成功了，return true，如果添加worker入Set失敗或啟動失敗，調用addWorkerFailed()邏輯
3、内部類Worker
Worker類
Worker類本身既實作了Runnable，又繼承了AbstractQueuedSynchronizer（以下簡稱AQS），是以其既是一個可執行的任務，又可以達到鎖的效果
new Worker()
1、将AQS的state置為-1，在runWoker()前不允許中斷
2、待執行的任務會以參數傳入，并賦予firstTask
3、用Worker這個Runnable建立Thread
之是以Worker自己實作Runnable，并建立Thread，在firstTask外包一層，是因為要通過Worker控制中斷，而firstTask這個工作任務隻是負責執行業務
Worker控制中斷主要有以下幾方面：
1、初始AQS狀态為-1，此時不允許中斷interrupt()，隻有在worker線程啟動了，執行了runWoker()，将state置為0，才能中斷
不允許中斷展現在：
A、shutdown()線程池時，會對每個worker tryLock()上鎖，而Worker類這個AQS的tryAcquire()方法是固定将state從0->1，故初始狀态state==-1時tryLock()失敗，沒發interrupt()
B、shutdownNow()線程池時，不用tryLock()上鎖，但調用worker.interruptIfStarted()終止worker，interruptIfStarted()也有state>0才能interrupt的邏輯
2、為了防止某種情況下，在運作中的worker被中斷，runWorker()每次運作任務時都會lock()上鎖，而shutdown()這類可能會終止worker的操作需要先擷取worker的鎖，這樣就防止了中斷正在運作的線程
Worker實作的AQS為不可重入鎖，為了是在獲得worker鎖的情況下再進入其它一些需要加鎖的方法
Worker和Task的差別：
Worker是線程池中的線程，而Task雖然是runnable，但是并沒有真正執行，隻是被Worker調用了run方法，後面會看到這部分的實作。
4、runWorker() -- 執行任務
runWorker(Worker w)
1、Worker線程啟動後，通過Worker類的run()方法調用runWorker(this)
2、執行任務之前，首先worker.unlock()，将AQS的state置為0，允許中斷目前worker線程
3、開始執行firstTask，調用task.run()，在執行任務前會上鎖wroker.lock()，在執行完任務後會解鎖，為了防止在任務運作時被線程池一些中斷操作中斷
4、在任務執行前後，可以根據業務場景自定義beforeExecute() 和 afterExecute()方法
5、無論在beforeExecute()、task.run()、afterExecute()發生異常上抛，都會導緻worker線程終止，進入processWorkerExit()處理worker退出的流程
6、如正常執行完目前task後，會通過getTask()從阻塞隊列中擷取新任務，當隊列中沒有任務，且擷取任務逾時，那麼目前worker也會進入退出流程
5、getTask() -- 擷取任務
getTask()
1、首先判斷是否可以滿足從workQueue中擷取任務的條件，不滿足return null
A、線程池狀态是否滿足：
（a）shutdown狀态 + workQueue為空 或 stop狀态，都不滿足，因為被shutdown後還是要執行workQueue剩餘的任務，但workQueue也為空，就可以退出了
（b）stop狀态，shutdownNow()操作會使線程池進入stop，此時不接受新任務，中斷正在執行的任務，workQueue中的任務也不執行了，故return null傳回
B、線程數量是否超過maximumPoolSize 或 擷取任務是否逾時
（a）線程數量超過maximumPoolSize可能是線程池在運作時被調用了setMaximumPoolSize()被改變了大小，否則已經addWorker()成功不會超過maximumPoolSize
（b）如果 目前線程數量>corePoolSize，才會檢查是否擷取任務逾時，這也展現了當線程數量達到maximumPoolSize後，如果一直沒有新任務，會逐漸終止worker線程直到corePoolSize
2、如果滿足擷取任務條件，根據是否需要定時擷取調用不同方法：
A、workQueue.poll()：如果在keepAliveTime時間内，阻塞隊列還是沒有任務，傳回null
B、workQueue.take()：如果阻塞隊列為空，目前線程會被挂起等待；當隊列中有任務加入時，線程被喚醒，take方法傳回任務
3、在阻塞從workQueue中擷取任務時，可以被interrupt()中斷，代碼中捕獲了InterruptedException，重置timedOut為初始值false，再次執行第1步中的判斷，滿足就繼續擷取任務，不滿足return null，會進入worker退出的流程
6、processWorkerExit() -- worker線程退出
processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly)
worker： 要結束的worker
completedAbruptly： 是否突然完成（是否因為異常退出）
1、worker數量-1
A、如果是突然終止，說明是task執行時異常情況導緻，即run()方法執行時發生了異常，那麼正在工作的worker線程數量需要-1
B、如果不是突然終止，說明是worker線程沒有task可執行了，不用-1，因為已經在getTask()方法中-1了
2、從Workers Set中移除worker，删除時需要上鎖mainlock
3、tryTerminate()：在對線程池有負效益的操作時，都需要“嘗試終止”線程池，大概邏輯：
判斷線程池是否滿足終止的狀态
A、如果狀态滿足，但還有線程池還有線程，嘗試對其發出中斷響應，使其能進入退出流程
B、沒有線程了，更新狀态為tidying->terminated
4、是否需要增加worker線程，如果線程池還沒有完全終止，仍需要保持一定數量的線程
線程池狀态是running 或 shutdown
A、如果目前線程是突然終止的，addWorker()
B、如果目前線程不是突然終止的，但目前線程數量 < 要維護的線程數量，addWorker()
故如果調用線程池shutdown()，直到workQueue為空前，線程池都會維持corePoolSize個線程，然後再逐漸銷毀這corePoolSize個線程
參考資料：
深入分析java線程池的實作原理 - 占小狼
JUC源碼分析-線程池-ThreadPoolExecutor
原文連結：
作者：Trust_FreeDom - 部落格園
部落格首頁：http://www.cnblogs.com/trust-freedom/
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