死磕 java线程系列之线程池深入解析——生命周期

谁践踏了优雅 2023-06-10 12:26 15阅读 0赞

![threadpool\_life][threadpool_life]

（手机横屏看源码更方便）

###  ###

注：java源码分析部分如无特殊说明均基于 java8 版本。

注：线程池源码部分如无特殊说明均指ThreadPoolExecutor类。

## 简介 ##

上一章我们一起重温了下线程的生命周期（六种状态还记得不？），但是你知不知道其实线程池也是有生命周期的呢？！

## 问题 ##

（1）线程池的状态有哪些？

（2）各种状态下对于任务队列中的任务有何影响？

## 先上源码 ##

其实，在我们讲线程池体系结构的时候，讲了一些方法，比如shutDown()/shutDownNow()，它们都是与线程池的生命周期相关联的。

我们先来看一下线程池ThreadPoolExecutor中定义的生命周期中的状态及相关方法：

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3; // =29
    private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1; // =000 11111...
    
    // runState is stored in the high-order bits
    private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS; // 111 00000...
    private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS; // 000 00000...
    private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS; // 001 00000...
    private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS; // 010 00000...
    private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS; // 011 00000...
    
    // 线程池的状态
    private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
    // 线程池中工作线程的数量
    private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
    // 计算ctl的值，等于运行状态“加上”线程数量
    private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

从上面这段代码，我们可以得出：

（1）线程池的状态和工作线程的数量共同保存在控制变量ctl中，类似于AQS中的state变量，不过这里是直接使用的AtomicInteger，这里换成unsafe volatile也是可以的；

（2）ctl的高三位保存运行状态，低29位保存工作线程的数量，也就是说线程的数量最多只能有(2^29-1)个，也就是上面的CAPACITY；

（3）线程池的状态一共有五种，分别是RUNNING、SHUTDOWN、STOP、TIDYING、TERMINATED；

（4）RUNNING，表示可接受新任务，且可执行队列中的任务；

（5）SHUTDOWN，表示不接受新任务，但可执行队列中的任务；

（6）STOP，表示不接受新任务，且不再执行队列中的任务，且中断正在执行的任务；

（7）TIDYING，所有任务已经中止，且工作线程数量为0，最后变迁到这个状态的线程将要执行terminated()钩子方法，只会有一个线程执行这个方法；

（8）TERMINATED，中止状态，已经执行完terminated()钩子方法；

## 流程图 ##

下面我们再来看看这些状态之间是怎么流转的：

![threadpool\_life][threadpool_life 1]

（1）新建线程池时，它的初始状态为RUNNING，这个在上面定义ctl的时候可以看到；

（2）RUNNING->SHUTDOWN，执行shutdown()方法时；

（3）RUNNING->STOP，执行shutdownNow()方法时；

（4）SHUTDOWN->STOP，执行shutdownNow()方法时【本文由公从号“彤哥读源码”原创】；

（5）STOP->TIDYING，执行了shutdown()或者shutdownNow()后，所有任务已中止，且工作线程数量为0时，此时会执行terminated()方法；

（6）TIDYING->TERMINATED，执行完terminated()方法后；

## 源码分析 ##

你以为贴个状态的源码，画个图就结束了嘛？那肯定不能啊，下面让我们一起来看看源码中是怎么控制的。

（1）RUNNING

RUNNING，比较简单，创建线程池的时候就会初始化ctl，而ctl初始化为RUNNING状态，所以线程池的初始状态就为RUNNING状态。

// 初始状态为RUNNING
    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

（2）SHUTDOWN

执行shutdown()方法时把状态修改为SHUTDOWN，这里肯定会成功，因为advanceRunState()方法中是个自旋，不成功不会退出。

public void shutdown() {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            checkShutdownAccess();
            // 修改状态为SHUTDOWN
            advanceRunState(SHUTDOWN);
            // 标记空闲线程为中断状态
            interruptIdleWorkers();
            onShutdown();
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        tryTerminate();
    }
    private void advanceRunState(int targetState) {
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            // 如果状态大于SHUTDOWN，或者修改为SHUTDOWN成功了，才会break跳出自旋
            if (runStateAtLeast(c, targetState) ||
                ctl.compareAndSet(c, ctlOf(targetState, workerCountOf(c))))
                break;
        }
    }

（3）STOP

执行shutdownNow()方法时，会把线程池状态修改为STOP状态，同时标记所有线程为中断状态。

public List<Runnable> shutdownNow() {
        List<Runnable> tasks;
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            checkShutdownAccess();
            // 修改为STOP状态
            advanceRunState(STOP);
            // 标记所有线程为中断状态
            interruptWorkers();
            tasks = drainQueue();
        } finally {
            // 【本文由公从号“彤哥读源码”原创】
            mainLock.unlock();
        }
        tryTerminate();
        return tasks;
    }

至于线程是否响应中断其实是在队列的take()或poll()方法中响应的，最后会到AQS中，它们检测到线程中断了会抛出一个InterruptedException异常，然后getTask()中捕获这个异常，并且在下一次的自旋时退出当前线程并减少工作线程的数量。

private Runnable getTask() {
        boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
    
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);
    
            // 如果状态为STOP了，这里会直接退出循环，且减少工作线程数量
            // 退出循环了也就相当于这个线程的生命周期结束了
            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 {
                // 真正响应中断是在poll()方法或者take()方法中
                Runnable r = timed ?
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take();
                if (r != null)
                    return r;
                timedOut = true;
            } catch (InterruptedException retry) {
                // 这里捕获中断异常
                timedOut = false;
            }
        }
    }

这里有一个问题，就是已经通过getTask()取出来且返回的任务怎么办？

实际上它们会正常执行完毕，有兴趣的同学可以自己看看runWorker()这个方法，我们下一节会分析这个方法。

（4）TIDYING

当执行shutdown()或shutdownNow()之后，如果所有任务已中止，且工作线程数量为0，就会进入这个状态。

final void tryTerminate() {
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            // 下面几种情况不会执行后续代码
            // 1. 运行中
            // 2. 状态的值比TIDYING还大，也就是TERMINATED
            // 3. SHUTDOWN状态且任务队列不为空
            if (isRunning(c) ||
                runStateAtLeast(c, TIDYING) ||
                (runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty()))
                return;
            // 工作线程数量不为0，也不会执行后续代码
            if (workerCountOf(c) != 0) {
                // 尝试中断空闲的线程
                interruptIdleWorkers(ONLY_ONE);
                return;
            }
    
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
                // CAS修改状态为TIDYING状态
                if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {
                    try {
                        // 更新成功，执行terminated钩子方法
                        terminated();
                    } finally {
                        // 强制更新状态为TERMINATED，这里不需要CAS了
                        ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));
                        termination.signalAll();
                    }
                    return;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
            // else retry on failed CAS
        }
    }

实际更新状态为TIDYING和TERMINATED状态的代码都在tryTerminate()方法中，实际上tryTerminated()方法在很多地方都有调用，比如shutdown()、shutdownNow()、线程退出时，所以说几乎每个线程最后消亡的时候都会调用tryTerminate()方法，但最后只会有一个线程真正执行到修改状态为TIDYING的地方。

修改状态为TIDYING后执行terminated()方法，最后修改状态为TERMINATED，标志着线程池真正消亡了。

（5）TERMINATED

见TIDYING中分析。

## 彩蛋 ##

本章我们一起从状态定义、流程图、源码分析等多个角度一起学习了线程池的生命周期，你掌握的怎么样呢？

下一章我们将开始学习线程池执行任务的主流程，对这一块内容感到恐惧的同学可以先看看彤哥之前写的“手写线程池”的两篇文章，对接下来学习线程池的主要流程非常有好处。

###  ###

欢迎关注我的公众号“彤哥读源码”，查看更多源码系列文章, 与彤哥一起畅游源码的海洋。

![qrcode][]

[threadpool_life]: /images/20230531/3ba2896531dd41bca2dabd874a603322.png
[threadpool_life 1]: /images/20230531/35d3262782ca486283e8272ae2600d91.png
[qrcode]: /images/20230531/68153bac14c047afb4bccc1fca398f88.png