每日一博 - Review线程池

缺乏、安全感 2022-09-03 01:26 149阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  Pre
 *  核心设计与实现
 *  运行机制
 *  线程池的生命周期
 *   *  ctl 解读
     *  ctl的相关方法
 *  线程池的状态
 *  任务执行机制
 *   *  任务调度
     *  任务缓冲
     *  任务申请
     *  任务拒绝
 *  Worker线程管理
 *   *  Worker线程
     *  增加Worker线程
     *  回收Worker线程
     *  Worker线程执行任务

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

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# Pre #

线程池（Thread Pool）是一种基于池化思想管理线程的工具.

使用线程池可以带来一系列好处：

*  降低资源消耗
 *  提高响应速度
 *  提高线程的可管理性
 *  …

线程池解决的核心问题就是资源管理问题。

在并发环境下，业务的不确定性，导致资源的依赖不确定。这种不确定性将带来以下若干问题：

*  频繁申请/销毁资源和调度资源，将带来额外的消耗，可能会非常巨大
 *  对资源无限申请缺少抑制手段，易引发系统资源耗尽的风险
 *  系统无法合理管理内部的资源分布，会降低系统的稳定性

为解决资源分配这个问题，线程池采用了“池化”（Pooling）思想。

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# 核心设计与实现 #

在Java中的体现是ThreadPoolExecutor类 。 这里我们主要回顾 J.U.C提供的线程池 `ThreadPoolExecutor`类 。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

ThreadPoolExecutor实现的顶层接口是Executor 。

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*  顶层接口Executor提供了一种思想：将任务提交和任务执行进行解耦。用户无需关注如何创建线程，如何调度线程来执行任务，用户只需提供Runnable对象，将任务的运行逻辑提交到执行器(Executor)中，由Executor框架完成线程的调配和任务的执行部分

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*   ExecutorService接口增加了一些能力：比如扩充执行任务的能力，补充可以为一个或一批异步任务生成Future的方法；提供了管控线程池的方法，比如停止线程池的运行等等。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

*   AbstractExecutorService则是上层的抽象类，将执行任务的流程串联了起来，保证下层的实现只需关注一个执行任务的方法即可

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

*   最下层的实现类ThreadPoolExecutor实现最复杂的运行部分，ThreadPoolExecutor将会一方面维护自身的生命周期，另一方面同时管理线程和任务，使两者良好的结合从而执行并行任务

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# 运行机制 #

运行机制如下图所示

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

*  线程池在内部实际上构建了一个生产者消费者模型，将线程和任务两者解耦，并不直接关联，从而良好的缓冲任务，复用线程。
 *  线程池的运行主要分成两部分：任务管理、线程管理。
    
    > **任务管理**部分充当**生产者的角色**，当任务提交后，线程池会判断该任务后续的流转：（1）直接申请线程执行该任务；（2）缓冲到队列中等待线程执行；（3）拒绝该任务。
    
    > **线程管理**部分是**消费者**，它们被统一维护在线程池内，根据任务请求进行线程的分配，当线程执行完任务后则会继续获取新的任务去执行，最终当线程获取不到任务的时候，线程就会被回收。

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# 线程池的生命周期 #

线程池运行的状态,随着线程池的运行，由内部来维护。

线程池内部使用一个变量维护两个值：

*  运行状态(runState)
 *  线程数量 (workerCount)

![在这里插入图片描述][5e7395190d8e41139cbedcea965697b4.png]

**线程池将运行状态(runState)、线程数量 (workerCount)两个关键参数的维护通过ctl这个参数放在了一起**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

## ctl 解读 ##

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

AtomicInteger 类型， 该变量是对线程池的**运行状态**和线程池中有效线程的数量进行控制的一个字段， 它同时包含两部分的信息：线程池的运行状态 (runState) 和线程池内有效线程的数量 (workerCount) .

高3位保存runState，低29位保存workerCount，两个变量之间互不干扰

> 用一个变量去存储两个值，可避免在做相关决策时，出现不一致的情况，不必为了维护两者的一致，而占用锁资源。  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

RUNNING    = -1 << COUNT_BITS; //高3位为111
    SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS; //高3位为000
    STOP       =  1 << COUNT_BITS; //高3位为001
    TIDYING    =  2 << COUNT_BITS; //高3位为010
    TERMINATED =  3 << COUNT_BITS; //高3位为011

线程池也提供了若干方法去供用户获得线程池当前的运行状态、线程个数。这里都使用的是位运算的方式，相比于基本运算，速度也会快很多。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]

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## ctl的相关方法 ##

// 获取运行状态；
    private static int runStateOf(int c)     {  return c & ~CAPACITY; } 
    // 获取活动线程数；
    private static int workerCountOf(int c)  {  return c & CAPACITY; }
    // 获取运行状态和活动线程数的值。
    private static int ctlOf(int rs, int wc) {  return rs | wc; }

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# 线程池的状态 #

线程池存在5种状态

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]

1、RUNNING

> (1) 状态说明：线程池处在RUNNING状态时，能够接收新任务，以及对已添加的任务进行处理。

> (02) 状态切换：线程池的初始化状态是RUNNING。换句话说，线程池被一旦被创建，就处于RUNNING状态，并且线程池中的任务数为0！

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2、 SHUTDOWN

> (1) 状态说明：线程池处在SHUTDOWN状态时，不接收新任务，但能处理已添加的任务。

> (2) 状态切换：调用线程池的shutdown()接口时，线程池由RUNNING -> SHUTDOWN。

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3、STOP

> (1) 状态说明：线程池处在STOP状态时，不接收新任务，不处理已添加的任务，并且会中断正在处理的任务。

> (2) 状态切换：调用线程池的shutdownNow()接口时，线程池由(RUNNING or SHUTDOWN ) -> STOP。

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4、TIDYING

> (1) 状态说明：当所有的任务已终止，ctl记录的”任务数量”为0，线程池会变为TIDYING状态。当线程池变为TIDYING状态时，会执行钩子函数terminated()。terminated()在ThreadPoolExecutor类中是空的，若用户想在线程池变为TIDYING时，进行相应的处理；可以通过重载terminated()函数来实现。

> (2) 状态切换：当线程池在SHUTDOWN状态下，阻塞队列为空并且线程池中执行的任务也为空时，就会由 SHUTDOWN -> TIDYING。 当线程池在STOP状态下，线程池中执行的任务为空时，就会由STOP -> TIDYING。

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5、 TERMINATED

> (1) 状态说明：线程池彻底终止，就变成TERMINATED状态。  
> (2) 状态切换：线程池处在TIDYING状态时，执行完terminated()之后，就会由 TIDYING -> TERMINATED。  
> 进入TERMINATED的条件如下：
> 
>  *  线程池不是RUNNING状态；
>  *  线程池状态不是TIDYING状态或TERMINATED状态；
>  *  如果线程池状态是SHUTDOWN并且workerQueue为空；
>  *  workerCount为0；
>  *  设置TIDYING状态成功。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]

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# 任务执行机制 #

## 任务调度 ##

任务调度是线程池的主要入口，当用户提交了一个任务，接下来这个任务将如何执行都是由这个阶段决定的。这就是线程池的核心运行机制。

首先，所有任务的调度都是由execute方法完成的，这部分完成的工作是：检查现在线程池的运行状态、运行线程数、运行策略，决定接下来执行的流程，是直接申请线程执行，或是缓冲到队列中执行，亦或是直接拒绝该任务。

1.  首先检测线程池运行状态，如果不是RUNNING，则直接拒绝，线程池要保证在RUNNING的状态下执行任务。
2.  如果workerCount < corePoolSize，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务。
3.  如果workerCount >= corePoolSize，且线程池内的阻塞队列未满，则将任务添加到该阻塞队列中。
4.  如果workerCount >= corePoolSize && workerCount < maximumPoolSize，且线程池内的阻塞队列已满，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务。
5.  如果workerCount >= maximumPoolSize，并且线程池内的阻塞队列已满, 则根据拒绝策略来处理该任务, 默认的处理方式是直接抛异常。

流程图如下

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]

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## 任务缓冲 ##

任务缓冲模块是线程池能够管理任务的核心部分。

线程池的本质是对任务和线程的管理，而做到这一点关键在于**将任务和线程两者**解耦，不让两者直接关联，才可以做后续的分配工作。

线程池中是以生产者消费者模式，通过一个阻塞队列来实现的。阻塞队列缓存任务，工作线程从阻塞队列中获取任务。

阻塞队列(BlockingQueue)是一个支持两个附加操作的队列。

*  在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。
 *  当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素。

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【线程1往阻塞队列中添加元素，而线程2从阻塞队列中移除元素】

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使用不同的队列可以实现不一样的任务存取策略。

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## 任务申请 ##

任务的执行有两种可能：

*  一种是任务直接由新创建的线程执行。
 *  另一种是线程从任务队列中获取任务然后执行，执行完任务的空闲线程会再次去从队列中申请任务再去执行。

第一种情况仅出现在线程初始创建的时候，第二种是线程获取任务绝大多数的情况。

线程需要从任务缓存模块中不断地取任务执行，帮助线程从阻塞队列中获取任务，实现线程管理模块和任务管理模块之间的通信。这部分策略由getTask方法实现。

private Runnable getTask() { 
            boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
    
            for (;;) { 
                int c = ctl.get();
                int rs = runStateOf(c);
    
                // Check if queue empty only if necessary.
                if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) { 
                    decrementWorkerCount();
                    return null;
                }
    
                int wc = workerCountOf(c);
    
                // Are workers subject to culling?
                boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
    
                if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
                    && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { 
                    if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                        return null;
                    continue;
                }
    
                try { 
                    Runnable r = timed ?
                        workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                        workQueue.take();
                    if (r != null)
                        return r;
                    timedOut = true;
                } catch (InterruptedException retry) { 
                    timedOut = false;
                }
            }
        }

getTask 进行了多次判断，为的是控制线程的数量，使其符合线程池的状态。如果线程池现在不应该持有那么多线程，则会返回null值。工作线程Worker会不断接收新任务去执行，而当工作线程Worker接收不到任务的时候，就会开始被回收。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 18]

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## 任务拒绝 ##

任务拒绝模块是线程池的保护部分，线程池有一个最大的容量，当线程池的任务缓存队列已满，并且线程池中的线程数目达到maximumPoolSize时，就需要拒绝掉该任务，采取任务拒绝策略，保护线程池。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 19]  
可以通过实现这个接口去定制拒绝策略，也可以选择JDK提供的四种已有拒绝策略

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 20]

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# Worker线程管理 #

## Worker线程 ##

线程池为了掌握线程的状态并维护线程的生命周期，设计了线程池内的工作线程Worker

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 21]  
Worker这个工作线程，实现了Runnable接口，并持有一个线程thread，一个初始化的任务firstTask。

thread是在调用构造方法时通过ThreadFactory来创建的线程，可以用来执行任务；  
firstTask用它来保存传入的第一个任务，这个任务可以有也可以为null。

如果这个值是非空的，那么线程就会在启动初期立即执行这个任务，也就对应核心线程创建时的情况；如果这个值是null，那么就需要创建一个线程去执行任务列表（workQueue）中的任务，也就是非核心线程的创建。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 22]  
线程池需要管理线程的生命周期，需要在线程长时间不运行的时候进行回收。线程池使用一张Hash表去持有线程的引用，这样可以通过添加引用、移除引用这样的操作来控制线程的生命周期。这个时候重要的就是如何判断线程是否在运行。

**Worker是通过继承AQS，使用AQS来实现独占锁这个功能。没有使用可重入锁ReentrantLock，而是使用AQS，为的就是实现不可重入的特性去反应线程现在的执行状态。**

*  1.lock方法一旦获取了独占锁，表示当前线程正在执行任务中。
 *  2.如果正在执行任务，则不应该中断线程。
 *  3.如果该线程现在不是独占锁的状态，也就是空闲的状态，说明它没有在处理任务，这时可以对该线程进行中断。
 *  4.线程池在执行shutdown方法或tryTerminate方法时会调用interruptIdleWorkers方法来中断空闲的线程，interruptIdleWorkers方法会使用tryLock方法来判断线程池中的线程是否是空闲状态；如果线程是空闲状态则可以安全回收。

在线程回收过程中就使用到了这种特性，回收过程如下图所示：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 23]

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## 增加Worker线程 ##

增加线程是通过线程池中的addWorker方法，该方法的功能就是增加一个线程，该方法不考虑线程池是在哪个阶段增加的该线程，这个分配线程的策略是在上个步骤完成的，该步骤仅仅完成增加线程，并使它运行，最后返回是否成功这个结果。

addWorker方法有两个参数：firstTask、core。

*  firstTask参数用于指定新增的线程执行的第一个任务，该参数可以为空；
 *  core参数为true表示在新增线程时会判断当前活动线程数是否少于corePoolSize，false表示新增线程前需要判断当前活动线程数是否少于maximumPoolSize 。

其执行流程如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 24]

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { 
            retry:
            for (;;) { 
                int c = ctl.get();
                int rs = runStateOf(c);
    
                // Check if queue empty only if necessary.
                if (rs >= SHUTDOWN &&
                    ! (rs == SHUTDOWN &&
                       firstTask == null &&
                       ! workQueue.isEmpty()))
                    return false;
    
                for (;;) { 
                    int wc = workerCountOf(c);
                    if (wc >= CAPACITY ||
                        wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                        return false;
                    if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                        break retry;
                    c = ctl.get();  // Re-read ctl
                    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 { 
                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());
    
                        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();
                            if (s > largestPoolSize)
                                largestPoolSize = s;
                            workerAdded = true;
                        }
                    } finally { 
                        mainLock.unlock();
                    }
                    if (workerAdded) { 
                        t.start();
                        workerStarted = true;
                    }
                }
            } finally { 
                if (! workerStarted)
                    addWorkerFailed(w);
            }
            return workerStarted;
        }

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## 回收Worker线程 ##

线程池中线程的销毁依赖JVM自动的回收，线程池做的工作是根据当前线程池的状态维护一定数量的线程引用，防止这部分线程被JVM回收，当线程池决定哪些线程需要回收时，只需要将其引用消除即可。

Worker被创建出来后，就会不断地进行轮询，然后获取任务去执行，核心线程可以无限等待获取任务，非核心线程要限时获取任务。

当Worker无法获取到任务，也就是获取的任务为空时，循环会结束，Worker会主动消除自身在线程池内的引用。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 25]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 26]  
线程回收的工作是在processWorkerExit方法完成的。

![在这里插入图片描述][ef92ae328810495b9e8f6b8bf1624173.png]  
事实上，在这个方法中，将线程引用移出线程池就已经结束了线程销毁的部分。但由于引起线程销毁的可能性有很多，线程池还要判断是什么引发了这次销毁，是否要改变线程池的现阶段状态，是否要根据新状态，重新分配线程。

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## Worker线程执行任务 ##

在Worker类中的run方法调用了runWorker方法来执行任务，runWorker方法的执行过程如下：

![在这里插入图片描述][bdd872803d9e41daa559d189a97fb2e5.png]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 27]

*  1.while循环不断地通过getTask()方法获取任务。
 *  2.getTask()方法从阻塞队列中取任务。
 *  3.如果线程池正在停止，那么要保证当前线程是中断状态，否则要保证当前线程不是中断状态。
 *  4.执行任务。
 *  5.如果getTask结果为null则跳出循环，执行processWorkerExit()方法，销毁线程。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 28]  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGFuZ3dlaQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 29]

参考： [Java线程池实现原理及其在美团业务中的实践][Java]

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[Java]: https://tech.meituan.com/2020/04/02/java-pooling-pratice-in-meituan.html