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Java线程池ThreadPoolExecutor使用和分析(一)
Java线程池ThreadPoolExecutor使用和分析(二) - execute()原理
Java线程池ThreadPoolExecutor使用和分析(三) - 终止线程池原理
execute()是 java.util.concurrent.Executor接口中唯一的方法，JDK注释中的描述是“在未来的某一时刻执行命令command”，即向线程池中提交任务，在未来某个时刻执行，提交的任务必须实现Runnable接口，该提交方式不能获取返回值。下面是对execute()方法内部原理的分析，分析前先简单介绍线程池有哪些状态，在一系列执行过程中涉及线程池状态相关的判断。以下分析基于JDK 1.7
以下是本文的目录大纲：
一、线程池执行流程
二、线程池状态
三、任务提交内部原理
1、execute() -- 提交任务
2、addWorker() -- 添加worker线程
3、内部类Worker
4、runWorker() -- 执行任务
5、getTask() -- 获取任务
6、processWorkerExit() -- worker线程退出
若有不正之处请多多谅解，欢迎批评指正、互相讨论。
请尊重作者劳动成果，转载请标明原文链接：
http://www.cnblogs.com/trust-freedom/p/6681948.html
1、如果线程池中的线程数量少于corePoolSize，就创建新的线程来执行新添加的任务
2、如果线程池中的线程数量大于等于corePoolSize，但队列workQueue未满，则将新添加的任务放到workQueue中
3、如果线程池中的线程数量大于等于corePoolSize，且队列workQueue已满，但线程池中的线程数量小于maximumPoolSize，则会创建新的线程来处理被添加的任务
4、如果线程池中的线程数量等于了maximumPoolSize，就用RejectedExecutionHandler来执行拒绝策略
其中ctl这个AtomicInteger的功能很强大，其高3位用于维护线程池运行状态，低29位维护线程池中线程数量
1、RUNNING：-1<<COUNT_BITS，即高3位为1，低29位为0，该状态的线程池会接收新任务，也会处理在阻塞队列中等待处理的任务
2、SHUTDOWN：0<<COUNT_BITS，即高3位为0，低29位为0，该状态的线程池不会再接收新任务，但还会处理已经提交到阻塞队列中等待处理的任务
3、STOP：1<<COUNT_BITS，即高3位为001，低29位为0，该状态的线程池不会再接收新任务，不会处理在阻塞队列中等待的任务，而且还会中断正在运行的任务
4、TIDYING：2<<COUNT_BITS，即高3位为010，低29位为0，所有任务都被终止了，workerCount为0，为此状态时还将调用terminated()方法
5、TERMINATED：3<<COUNT_BITS，即高3位为100，低29位为0，terminated()方法调用完成后变成此状态
这些状态均由int型表示，大小关系为 RUNNING<SHUTDOWN<STOP<TIDYING<TERMINATED，这个顺序基本上也是遵循线程池从 运行 到 终止这个过程。
runStateOf(int c) 方法：c & 高3位为1，低29位为0的~CAPACITY，用于获取高3位保存的线程池状态
workerCountOf(int c)方法：c & 高3位为0，低29位为1的CAPACITY，用于获取低29位的线程数量
ctlOf(int rs, int wc)方法：参数rs表示runState，参数wc表示workerCount，即根据runState和workerCount打包合并成ctl
1、execute() -- 提交任务
execute(Runnable command)
参数：
command 提交执行的任务，不能为空
执行流程：
1、如果线程池当前线程数量少于corePoolSize，则addWorker(command, true)创建新worker线程，如创建成功返回，如没创建成功，则执行后续步骤；
addWorker(command, true)失败的原因可能是：
A、线程池已经shutdown，shutdown的线程池不再接收新任务
B、workerCountOf(c) < corePoolSize 判断后，由于并发，别的线程先创建了worker线程，导致workerCount>=corePoolSize
2、如果线程池还在running状态，将task加入workQueue阻塞队列中，如果加入成功，进行double-check，如果加入失败（可能是队列已满），则执行后续步骤；
double-check主要目的是判断刚加入workQueue阻塞队列的task是否能被执行
A、如果线程池已经不是running状态了，应该拒绝添加新任务，从workQueue中删除任务
B、如果线程池是运行状态，或者从workQueue中删除任务失败（刚好有一个线程执行完毕，并消耗了这个任务），确保还有线程执行任务（只要有一个就够了）
3、如果线程池不是running状态 或者 无法入队列，尝试开启新线程，扩容至maxPoolSize，如果addWork(command, false)失败了，拒绝当前command
2、addWorker() -- 添加worker线程
addWorker(Runnable firstTask, boolean core)
firstTask： worker线程的初始任务，可以为空
core： true：将corePoolSize作为上限，false：将maximumPoolSize作为上限
addWorker方法有4种传参的方式：
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种，结合这个核心方法进行以下分析
第一个：线程数小于corePoolSize时，放一个需要处理的task进Workers Set。如果Workers Set长度超过corePoolSize，就返回false
第二个：当队列被放满时，就尝试将这个新来的task直接放入Workers Set，而此时Workers Set的长度限制是maximumPoolSize。如果线程池也满了的话就返回false
第三个：放入一个空的task进workers Set，长度限制是maximumPoolSize。这样一个task为空的worker在线程执行的时候会去任务队列里拿任务，这样就相当于创建了一个新的线程，只是没有马上分配任务
第四个：这个方法就是放一个null的task进Workers Set，而且是在小于corePoolSize时，如果此时Set中的数量已经达到corePoolSize那就返回false，什么也不干。实际使用中是在prestartAllCoreThreads()方法，这个方法用来为线程池预先启动corePoolSize个worker等待从workQueue中获取任务执行
1、判断线程池当前是否为可以添加worker线程的状态，可以则继续下一步，不可以return false：
A、线程池状态>shutdown，可能为stop、tidying、terminated，不能添加worker线程
B、线程池状态==shutdown，firstTask不为空，不能添加worker线程，因为shutdown状态的线程池不接收新任务
C、线程池状态==shutdown，firstTask==null，workQueue为空，不能添加worker线程，因为firstTask为空是为了添加一个没有任务的线程再从workQueue获取task，而workQueue为空，说明添加无任务线程已经没有意义
2、线程池当前线程数量是否超过上限（corePoolSize 或 maximumPoolSize），超过了return false，没超过则对workerCount+1，继续下一步
3、在线程池的ReentrantLock保证下，向Workers Set中添加新创建的worker实例，添加完成后解锁，并启动worker线程，如果这一切都成功了，return true，如果添加worker入Set失败或启动失败，调用addWorkerFailed()逻辑
3、内部类Worker
Worker类
Worker类本身既实现了Runnable，又继承了AbstractQueuedSynchronizer（以下简称AQS），所以其既是一个可执行的任务，又可以达到锁的效果
new Worker()
1、将AQS的state置为-1，在runWoker()前不允许中断
2、待执行的任务会以参数传入，并赋予firstTask
3、用Worker这个Runnable创建Thread
之所以Worker自己实现Runnable，并创建Thread，在firstTask外包一层，是因为要通过Worker控制中断，而firstTask这个工作任务只是负责执行业务
Worker控制中断主要有以下几方面：
1、初始AQS状态为-1，此时不允许中断interrupt()，只有在worker线程启动了，执行了runWoker()，将state置为0，才能中断
不允许中断体现在：
A、shutdown()线程池时，会对每个worker tryLock()上锁，而Worker类这个AQS的tryAcquire()方法是固定将state从0->1，故初始状态state==-1时tryLock()失败，没发interrupt()
B、shutdownNow()线程池时，不用tryLock()上锁，但调用worker.interruptIfStarted()终止worker，interruptIfStarted()也有state>0才能interrupt的逻辑
2、为了防止某种情况下，在运行中的worker被中断，runWorker()每次运行任务时都会lock()上锁，而shutdown()这类可能会终止worker的操作需要先获取worker的锁，这样就防止了中断正在运行的线程
Worker实现的AQS为不可重入锁，为了是在获得worker锁的情况下再进入其它一些需要加锁的方法
Worker和Task的区别：
Worker是线程池中的线程，而Task虽然是runnable，但是并没有真正执行，只是被Worker调用了run方法，后面会看到这部分的实现。
4、runWorker() -- 执行任务
runWorker(Worker w)
1、Worker线程启动后，通过Worker类的run()方法调用runWorker(this)
2、执行任务之前，首先worker.unlock()，将AQS的state置为0，允许中断当前worker线程
3、开始执行firstTask，调用task.run()，在执行任务前会上锁wroker.lock()，在执行完任务后会解锁，为了防止在任务运行时被线程池一些中断操作中断
4、在任务执行前后，可以根据业务场景自定义beforeExecute() 和 afterExecute()方法
5、无论在beforeExecute()、task.run()、afterExecute()发生异常上抛，都会导致worker线程终止，进入processWorkerExit()处理worker退出的流程
6、如正常执行完当前task后，会通过getTask()从阻塞队列中获取新任务，当队列中没有任务，且获取任务超时，那么当前worker也会进入退出流程
5、getTask() -- 获取任务
getTask()
1、首先判断是否可以满足从workQueue中获取任务的条件，不满足return null
A、线程池状态是否满足：
（a）shutdown状态 + workQueue为空 或 stop状态，都不满足，因为被shutdown后还是要执行workQueue剩余的任务，但workQueue也为空，就可以退出了
（b）stop状态，shutdownNow()操作会使线程池进入stop，此时不接受新任务，中断正在执行的任务，workQueue中的任务也不执行了，故return null返回
B、线程数量是否超过maximumPoolSize 或 获取任务是否超时
（a）线程数量超过maximumPoolSize可能是线程池在运行时被调用了setMaximumPoolSize()被改变了大小，否则已经addWorker()成功不会超过maximumPoolSize
（b）如果 当前线程数量>corePoolSize，才会检查是否获取任务超时，这也体现了当线程数量达到maximumPoolSize后，如果一直没有新任务，会逐渐终止worker线程直到corePoolSize
2、如果满足获取任务条件，根据是否需要定时获取调用不同方法：
A、workQueue.poll()：如果在keepAliveTime时间内，阻塞队列还是没有任务，返回null
B、workQueue.take()：如果阻塞队列为空，当前线程会被挂起等待；当队列中有任务加入时，线程被唤醒，take方法返回任务
3、在阻塞从workQueue中获取任务时，可以被interrupt()中断，代码中捕获了InterruptedException，重置timedOut为初始值false，再次执行第1步中的判断，满足就继续获取任务，不满足return null，会进入worker退出的流程
6、processWorkerExit() -- worker线程退出
processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly)
worker： 要结束的worker
completedAbruptly： 是否突然完成（是否因为异常退出）
1、worker数量-1
A、如果是突然终止，说明是task执行时异常情况导致，即run()方法执行时发生了异常，那么正在工作的worker线程数量需要-1
B、如果不是突然终止，说明是worker线程没有task可执行了，不用-1，因为已经在getTask()方法中-1了
2、从Workers Set中移除worker，删除时需要上锁mainlock
3、tryTerminate()：在对线程池有负效益的操作时，都需要“尝试终止”线程池，大概逻辑：
判断线程池是否满足终止的状态
A、如果状态满足，但还有线程池还有线程，尝试对其发出中断响应，使其能进入退出流程
B、没有线程了，更新状态为tidying->terminated
4、是否需要增加worker线程，如果线程池还没有完全终止，仍需要保持一定数量的线程
线程池状态是running 或 shutdown
A、如果当前线程是突然终止的，addWorker()
B、如果当前线程不是突然终止的，但当前线程数量 < 要维护的线程数量，addWorker()
故如果调用线程池shutdown()，直到workQueue为空前，线程池都会维持corePoolSize个线程，然后再逐渐销毁这corePoolSize个线程
参考资料：
深入分析java线程池的实现原理 - 占小狼
JUC源码分析-线程池-ThreadPoolExecutor
原文链接：
作者：Trust_FreeDom - 博客园
博客主页：http://www.cnblogs.com/trust-freedom/
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