前言
在一次聚会中，我和一个腾讯大佬聊起了池化技术，提及到java的线程池实现问题，我说这个我懂啊，然后巴拉巴拉说了一大堆，然后腾讯大佬问我说，那你知道线程池有什么缺陷吗？我顿时哑口无言，甘拜下风，所以这次我再回来思考一下线程池的实现原理
源码分析
ThreadPoolExecutor构造器
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
//校验几个参数不能小于零，否则抛出异常
if (corePoolSize < 0 ||
maximumPoolSize <= 0 ||
maximumPoolSize < corePoolSize ||
keepAliveTime < 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
throw new NullPointerException();
this.acc = System.getSecurityManager() == null ?
null :
AccessController.getContext();
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
this.threadFactory = threadFactory;
this.handler = handler;
}
- corePoolSize：核心线程数
- maximumPoolSize：最大线程数，线程池允许创建的最大线程数
- workQueue：任务队列，BlockingQueue 接口的某个实现（常使用 ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue）
- keepAliveTime：空闲线程的保活时间，如果某线程的空闲时间超过这个值都没有任务给它做，那么可以被关闭了。注意这个值并不会对所有线程起作用，如果线程池中的线程数少于等于核心线程数 corePoolSize，那么这些线程不会因为空闲太长时间而被关闭，当然，也可以通过调用 allowCoreThreadTimeOut(true)使核心线程数内的线程也可以被回收
- threadFactory：用于生成线程，一般我们使用Executors.defaultThreadFactory()
- handler：当线程池已经满了，但是又有新的任务提交的时候，该采取什么策略由这个来指定
默认的几个属性：
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
// 这里 COUNT_BITS 设置为 29(32-3)，意味着前三位用于存放线程状态，后29位用于存放线程数
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
//最大线程数是 2^29-1=536870911
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// runState is stored in the high-order bits
//111 00000000000000000000000000000
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
// 000 00000000000000000000000000000
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
// 001 00000000000000000000000000000
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
// 010 00000000000000000000000000000
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
// 011 00000000000000000000000000000
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
// Packing and unpacking ctl
//将CAPACITY取费后和c进行取与运算，可以得到高3位的值，即线程池的状态
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
//将c和CAPACITY取与运算，可以得到低29位的值，即线程池的个数
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
采用一个 32 位的整数来存放线程池的状态和当前池中的线程数，其中高 3 位用于存放线程池状态，低 29 位表示线程数（CAPACITY）
- RUNNING：这个没什么好说的，这是最正常的状态：接受新的任务，处理等待队列中的任务
- SHUTDOWN：不接受新的任务提交，但是会继续处理等待队列中的任务
- STOP：不接受新的任务提交，不再处理等待队列中的任务，中断正在执行任务的线程
- TIDYING：所有的任务都销毁了，workCount 为 0。线程池的状态在转换为 TIDYING 状态时，会执行钩子方法 terminated()
- TERMINATED：terminated() 方法结束后，线程池的状态就会变成这个
execute方法
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
//如果当前的线程数小于corePoolSize
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
//调用addWorker新建一个线程
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 到这里说明，要么当前线程数大于等于核心线程数，要么刚刚 addWorker 失败了
//校验当前线程状态是RUNNING，并将command入队
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
//如果不是运行状态，那么移除队列，并执行拒绝策略
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 如果线程池还是 RUNNING 的，并且线程数为 0，那么开启新的线程
//防止任务提交到队列中了，但是线程都关闭了
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
//到这里说明队列已经满了，所以新建一个线程，如果新建的线程数已经超过了maximumPoolSize，那么执行拒绝策略
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
用一张图来概括一下上面的内容：
- 如果线程池中的线程数少于 coreThreadCount 时，处理新的任务时会创建新的线程；
- 如果线程数大于 coreThreadCount 则把任务丢到一个队列里面，由当前空闲的线程执行；
- 当队列中的任务堆积满了的时候，则继续创建线程，直到达到 maxThreadCount；
- 当线程数达到 maxTheadCount 时还有新的任务提交，那么我们就不得不将它们丢弃了。
我们下面看一下addWorker是如何创建线程的：
addWorker
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
//获取当前线程池状态
int rs = runStateOf(c);
//1
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
//2. 校验传入的线程数是否超过了容量大小， 或者是否超过了corePoolSize或maximumPoolSize
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
//到了这里说明线程数没有超，那么就用CAS将线程池的个数加1
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
//3 说明有其他的线程抢先更新了状态，继续下一轮的循环，跳到外层循环
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
//创建一个线程
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
int rs = runStateOf(ctl.get());
//4 如果线程是没有问题的话，那么将worker加入到队列中
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w);
int s = workers.size();
// largestPoolSize 用于记录 workers 中的个数的最大值
// 因为 workers 是不断增加减少的，通过这个值可以知道线程池的大小曾经达到的最大值
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
//如果worker入队成功，那么启动线程
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
//如果worker启动失败，那么就回滚woker线程创建的状态
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
// 返回线程是否启动成功
return workerStarted;
}
- 这里主要是列举了几个条件不能创建新的worker的情况
- 线程池状态大于 SHUTDOWN，其实也就是 STOP, TIDYING, 或 TERMINATED
- firstTask != null
- workQueue.isEmpty()
如果线程池处于 SHUTDOWN，但是 firstTask 为 null，且 workQueue 非空，那么是允许创建 worker 的
- 如果传入的core参数是true代表使用核心线程数 corePoolSize 作为创建线程的界限，也就说创建这个线程的时候，如果线程池中的线程总数已经达到 corePoolSize，那么不能响应这次创建线程的请求；如果是false，代表使用最大线程数 maximumPoolSize 作为界限
- 如果CAS失败并不是因为有其他线程在嘈杂哦导致的，那么就直接在里层循环继续下一次的循环就好了，如果是因为其他线程的操作，导致线程池的状态发生了变更，如有其他线程关闭了这个线程池，那么需要回到外层的for循环
- 如果是 小于 SHUTTDOWN 那就是 RUNNING，则继续往下继续，或者状态是SHUTDOWN但是传入的firstTask为空，代表继续处理队列中的任务
addWorkerFailed
private void addWorkerFailed(Worker w) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
if (w != null)
workers.remove(w);
decrementWorkerCount();
tryTerminate();
} finally {
mainLock.unlock();
}
}
addWorkerFailed的处理就是将workers集合里面的worker移除，然后count减1，
worker对象
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable
{
final Thread thread;
/** Initial task to run. Possibly null. */
Runnable firstTask;
/** Per-thread task counter */
volatile long completedTasks;
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
....
}
Worker是继承AQS对象的，在创建Worker对象的时候会传入一个Runnable对象，并设置AQS的state状态为-1，并从线程工厂中新建一个线程
调用thread.start方法会调用到Worker的run方法中
public void run() {
runWorker(this);
}
Worker的run方法会调用到ThreadPoolExecutor的runWorker方法
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
try {
//如果task为空，那么就从workQueue里面获取task
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
w.lock();
// 如果线程池状态大于等于 STOP，那么意味着该线程也要中断
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
// 这是一个钩子方法
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
//执行任务
task.run();
} catch (RuntimeException x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Error x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Throwable x) {
thrown = x; throw new Error(x);
} finally {
// 这是一个钩子方法
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
// 置空 task，准备 getTask 获取下一个任务
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
//异常情况或getTask获取不到任务时会执行关闭
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
传入一个Worker首先去校验firstTask是不是null，如果是那么就调用getTask方法从workQueue队列里面获取，然后判断一下当前的线程是否需要中断，如需要的话执行钩子方法，然后调用task的run方法执行task；
如果while循环里面getTask获取不到任务的话，就结束循环调用processWorkerExit方法执行关闭；
如果是异常原因导致的while循环退出，那么会调用processWorkerExit并传入为true
getTask
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
//要么状态大于STOP，要么状态等于SHUTDOWN并且队列是空的，那么线程数减一后返回null
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
int wc = workerCountOf(c);
// 允许核心线程数内的线程回收，或当前线程数超过了核心线程数，那么有可能发生超时关闭
// Are workers subject to culling?
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
//校验线程数是否超了，或者是否超时
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
try {
// 到 workQueue 中获取任务
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}
这个方法返回null有如下几种情况：
- 当前状态是SHUTDOWN并且workQueue队列为空
- 当前状态是STOP及以上
- 池中有大于 maximumPoolSize 个 workers 存在(通过调用 setMaximumPoolSize 进行设置)
processWorkerExit
private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
//如果是异常原因中断，那么需要将运行线程数减一
if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted
decrementWorkerCount();
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
//设置完成任务数
completedTaskCount += w.completedTasks;
//将worker从集合里移除
workers.remove(w);
} finally {
mainLock.unlock();
}
//判断当前的线程池是否处于SHUTDOWN状态，判断是否要终止线程
tryTerminate();
int c = ctl.get();
//如果是RUNNING或SHUTDOWN则会进入这个方法
if (runStateLessThan(c, STOP)) {
//如不是以外中断则会往下走
if (!completedAbruptly) {
//判断是否保留最少核心线程数
int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())
min = 1;
if (workerCountOf(c) >= min)
return; // replacement not needed
}
//如果当前运行的Worker数比当前所需要的Worker数少的话，那么就会调用addWorker，添加新的Worker
addWorker(null, false);
}
}
- 判断是否是意外退出的，如果是意外退出的话，那么就需要把WorkerCount--
- 加完锁后，同步将completedTaskCount进行增加，表示总共完成的任务数，并且从WorkerSet中将对应的Worker移除
- 调用tryTemiate，进行判断当前的线程池是否处于SHUTDOWN状态，判断是否要终止线程
- 判断当前的线程池状态，如果当前线程池状态比STOP大的话，就不处理
- 判断是否是意外退出，如果不是意外退出的话，那么就会判断最少要保留的核心线程数，如果allowCoreThreadTimeOut被设置为true的话，那么说明核心线程在设置的KeepAliveTime之后，也会被销毁。
- 如果最少保留的Worker数为0的话，那么就会判断当前的任务队列是否为空，如果任务队列不为空的话而且线程池没有停止，那么说明至少还需要1个线程继续将任务完成
- 判断当前的Worker是否大于min，也就是说当前的Worker总数大于最少需要的Worker数的话，那么就直接返回，因为剩下的Worker会继续从WorkQueue中获取任务执行
- 如果当前运行的Worker数比当前所需要的Worker数少的话，那么就会调用addWorker，添加新的Worker，也就是新开启线程继续处理任务
线程池的三大问题
这个任务处理流程看似简单，实际上有很多坑，你在使用的时候一定要注意。
- JDK 实现的这个线程池优先把任务放入队列暂存起来，而不是创建更多的线程，它比较适用于执行 CPU 密集型的任务，也就是需要执行大量 CPU 运算的任务。所以当当前线程数超过核心线程数时，线程池不会增加线程，而是放在队列里等待核心线程空闲下来。
但是，我们平时开发的 Web 系统通常都有大量的 IO 操作，比方说查询数据库、查询缓存等等。任务在执行 IO 操作的时候 CPU 就空闲了下来，这时如果增加执行任务的线程数而不是把任务暂存在队列中，就可以在单位时间内执行更多的任务，大大提高了任务执行的吞吐量。所以你看 Tomcat 使用的线程池就不是 JDK 原生的线程池，而是做了一些改造，当线程数超过 coreThreadCount 之后会优先创建线程，直到线程数到达 maxThreadCount，这样就比较适合于 Web 系统大量 IO 操作的场景了，你在实际运用过程中也可以参考借鉴。
- 线程池中使用的队列的堆积量也是我们需要监控的重要指标，对于实时性要求比较高的任务来说，这个指标尤为关键。
我在实际项目中就曾经遇到过任务被丢给线程池之后，长时间都没有被执行的诡异问题。最初，我认为这是代码的 Bug 导致的，后来经过排查发现，是因为线程池的 coreThreadCount 和 maxThreadCount 设置的比较小，导致任务在线程池里面大量的堆积，在调大了这两个参数之后问题就解决了。跳出这个坑之后，我就把重要线程池的队列任务堆积量，作为一个重要的监控指标放到了系统监控大屏上。
- 如果你使用线程池请一定记住不要使用无界队列（即没有设置固定大小的队列）。也许你会觉得使用了无界队列后，任务就永远不会被丢弃，只要任务对实时性要求不高，反正早晚有消费完的一天。但是，大量的任务堆积会占用大量的内存空间，一旦内存空间被占满就会频繁地触发 Full GC，造成服务不可用，我之前排查过的一次 GC 引起的宕机，起因就是系统中的一个线程池使用了无界队列。
线程池的改造方案
我们这里直接学习Tomcat是如何优化线程池的，在我们平时的使用中如果使用LinkedBlockingQueue的话，默认是使用Integer.MAX_VALUE，即无界队列(这种情况下如果没有配置队列的capacity的话，队列始终不会满，那么始终无法进入开启新线程到达maxThreads个数的地步，则此时配置maxThreads其实是没有意义的)。
而在Tomcat中使用的是TaskQueue，TaskQueue的队列capacity为maxQueueSize，默认也是Integer.MAX_VALUE。但是，其重写offer方法，当其线程池大小小于maximumPoolSize的时候，返回false，即在一定程度改写了队列满的逻辑，修复了使用LinkedBlockingQueue默认的capacity为Integer.MAX_VALUE的时候，maxThreads失效的"bug"。从而可以继续增长线程到maxThreads，超过之后，继续放入队列。
所以综上，Tomcat的线程池使用了自己扩展的taskQueue，修改了offer的逻辑，以做到最小的改动实现了线程池的改造。
我们再来回顾一下ThreadPoolExecutor的execute方法是怎么写的：
ThreadPoolExecutor#execute
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
//这里，如果使用workQueue的offer成功的话，那么就不会创建新的线程，如果失败的话，就会走到else if方法进行创建新的线程
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
TaskQueue
public class TaskQueue extends LinkedBlockingQueue<Runnable> {
private ThreadPoolExecutor parent = null;
@Override
public boolean offer(Runnable o) {
//we can't do any checks
if (parent==null) return super.offer(o);
//we are maxed out on threads, simply queue the object
if (parent.getPoolSize() == parent.getMaximumPoolSize()) return super.offer(o);
//we have idle threads, just add it to the queue
if (parent.getSubmittedCount()<(parent.getPoolSize())) return super.offer(o);
//当其线程池大小小于maximumPoolSize的时候，返回false
if (parent.getPoolSize()<parent.getMaximumPoolSize()) return false;
//if we reached here, we need to add it to the queue
return super.offer(o);
}
}
我们从这里可以看到
- 如果当前线程数已达到MaximumPoolSize，那么就放入到队列里去
- 如果当前线程池的数量大于正在运行的线程数，说明有空闲的线程，那么就将任务放入到队列中去
- 若当其线程池大小小于maximumPoolSize的时候，返回false