Java线程池是如何保证核心线程不被销毁的

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2023-07-20 13:42 1阅读 0赞

> 对于Java中 Thread 对象，同一个线程对象调用 start 方法后，会在执行完run 后走向终止（TERMINATED）状态，也就是说一个线程对象是不可以通过多次调用 start 方法重复执行 run 方法内容的。

详情可通过该链接了解：[Java同一个线程对象能否多次调用start方法][Java_start]

> 问题：那 Java 线程池中是如何保证核心线程不会终止的呢？

接下来将通过源码分析线程池是如何保证核心线程不被终止的，在分析前需要了解 `ThreadPoolExecutor`中几个重要成员变量和方法，便于下面源码阅读：

## ThreadPoolExecutor 成员变量和方法介绍 ##

1.  ctl 原子整型变量

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

*  ctl 包含两个字段
    
     *  workerCount：表示线程池中实际生效的线程数；
     *  runState：表示线程池运行状态（注意和线程状态进行区分），线程池状态包括以下几种：
        
         *  RUNNING：可以接收新任务并可执行队列中的任务；
         *  SHUTDOWN：不接收新任务，但可执行队列中的任务；
         *  STOP：不接收新任务，不执行队列任务并且中断正在执行的任务；
         *  TIDYING：所有任务已终止，workerCount 为0，将会运行钩子方法 terminated；
         *  TERMINATED：terminated 方法调用完成的状态。

1.  线程池中实际生效线程的最大容量

//Integer.SIZE等于32
    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
    //实际有效线程的最大容量
    private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;

*  实际生效最大线程数为  
     2 29 − 1 2^\{29\} - 1 229−1
 *  为何使用int类型是因为相对于long运行的更快一点，如果将来int不够用，可以使用AtomicLong代替。

1.  线程池运行状态

// runState is stored in the high-order bits
    private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
    private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
    private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
    private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
    private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;

这里我们仅需要知道只有运行（RUNNING）状态是小于0的，其他状态下都是大于等于0的。  
4. 获取线程池运行状态

private static int runStateOf(int c)     {  return c & ~CAPACITY; }

方法入参 c 即为 ctl，通过该方法位运算可以得到线程池的状态值，并与 3 中的状态进行比较来进行逻辑处理。  
5. 获取线程池中当前实际有效的线程数量

private static int workerCountOf(int c)  {  return c & CAPACITY; }

同上，方法入参 c 为 ctl 原子整形变量，通过位运算得到线程池中实际的线程数 workCount。  
6. 工作线程集合

private final HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();

线程池中每一个有效线程都会被包装为 Worker 对象。  
7. Worker 内部类

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable

*  类 Worker 主要用于维护运行任务线程的中断控制状态；
 *  继承 AQS 实现了一个简单的不可重入互斥锁，而不是使用可重入锁，因为不希望工作任务在调用setCorePoolSize之类的池控制方法时能够重新获取锁;
 *  为了在线程真正开始运行任务之前禁止中断，将锁状态初始化为负值，并在启动时清除它（runWorker中）。

1.  其他如 corePoolSize、maximumPoolSize、threadFactory、workQueue等就不做赘述了。

## 案例分析 ##

该案例不执行 shutdown 方法，这样可以保证线程池一直处于运行状态(RUNNING)

public static void main(String[] args) { 
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(2, 2,
                0, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(6),
                Executors.defaultThreadFactory(), new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
        for (int i = 0; i < 8; i++) { 
            int num = i;
            threadPoolExecutor.execute(() -> { 
                String threadName = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println(threadName + " - " + num);
                System.out.println(threadName + " 开始睡眠...");
                try { 
                    //暂缓线程执行
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5000);
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(threadName +" 结束睡眠...");
            });
        }
    
        //threadPoolExecutor.shutdown();
    }

跟踪 execute 方法源码，查看核心线程是如何被加添到池中的：

public void execute(Runnable command) { 
        if (command == null)
            throw new NullPointerException();
        //获取线程池控制状态
        int c = ctl.get();
        //通过workerCountOf计算出实际线程数
        if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { 
            //未超过核心线程数，则新增 Worker 对象，true表示核心线程
            if (addWorker(command, true))
                return;
            c = ctl.get();
        }
    
        //核心线程满了，如果线程池处于运行状态则往队列中添加任务
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { 
            int recheck = ctl.get();
            //双重检测池是否处于运行状态
            if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                reject(command);
            else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                addWorker(null, false);
        } else if (!addWorker(command, false))//添加非核心线程
            reject(command);
    }

根据方法内容和断点跟踪可以得出以下结论：

1.  核心线程数未超过 corePoolSize，每添加新的任务（command），都会创建新的线程（Worker中创建），即使有空闲线程存在；
2.  核心线程数等于corePoolSize后，如果继续添加新的任务（command），会将任务添加到阻塞队列 workQueue 中，等待调度；
3.  如果添加到队列失败，则检查 corePoolSize 是否小于 maximumPoolSize，如果小于则创建新的线程执行任务，直到线程总数 等于 maximumPoolSize；
4.  当线程数等于 maximumPoolSize 并且队列已满了，后续新增任务将会触发线程饱和策略。

上面代码中我们关心 addWorker 方法，它有两个参数，第一个是 Runnable 对象，第二参数是标记是否核心线程，true为核心线程，接下来看下源码：

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { 
        retry:
        for (;;) { 
            int c = ctl.get();
            // 省略部分代码
            ......
            
            for (;;) { 
                //core主要用于判断是否继续创建新线程
                int wc = workerCountOf(c);
                //workCount 大于总容量或者workCount大于核心线程或最大线程将直接返回
                if (wc >= CAPACITY ||
                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                    return false;
                //通过CAS将c加1，也就是将workCount加1 
                if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                    break retry;
                c = ctl.get();  // Re-read ctl
                if (runStateOf(c) != rs)
                    continue retry;
                 retry inner loop
            }
        }
    
        boolean workerStarted = false;
        boolean workerAdded = false;
        Worker w = null;
        try { 
            //创建新线程
            w = new Worker(firstTask);
            final Thread t = w.thread;
            if (t != null) { 
                final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
                mainLock.lock();
                //省略部分代码
                ......
                workers.add(w);
                int s = workers.size();
                if (s > largestPoolSize)
                    largestPoolSize = s;
                workerAdded = true;
                ......
                
                if (workerAdded) { 
                    //启动线程
                    t.start();
                    workerStarted = true;
                }
            }
        } finally { 
            if (! workerStarted)
                addWorkerFailed(w);
        }
        return workerStarted;
    }

从 addWorker 方法中，可以看到从 Worker 对象中获取到线程对象 t ，并调用 start 方法启动线程，那这个 t 线程是如何来的呢？  
扩展：[java retry:详解][java retry]

接下来要看下 Worker 是如何创建线程的：

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable { 
        final Thread thread;
        /**初始执行任务，有可能为空*/
        Runnable firstTask;
        
        /**使用firstTask和来自线程工厂中的线程创建了 Worker 对象*/
        Worker(Runnable firstTask) { 
            setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
            this.firstTask = firstTask;
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
        }
    
        /**将run方法委托给runWorker执行*/
        public void run() { 
            runWorker(this);
        }
    }

Worker 类实现 Runnable 接口， Worker 类的构造方法中 `this.thread = getThreadFactory().newThread(this)`比较关键，**这行代码的意思是说使用当前 Worker 对象创建了一个线程，那其实也就是说 thread 对象和 当前 Worker 对象中调用的 run 方法是一样的**。**到这一步我们可以得出上一步 addWorker 方法中的 t.start 调用的其实就是 Worker 类中的 run方法**。

那 runWorker 又是如何运行的呢？

final void runWorker(Worker w) { 
        Thread wt = Thread.currentThread();
        //获取要执行的任务
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        w.unlock(); // allow interrupts
        boolean completedAbruptly = true;
        
        //轮询调用 getTask 用于获取任务
        while (task != null || (task = getTask()) != null) { 
            w.lock();
            //省略部分代码
                ......
            //执行run方法
            task.run();
            //省略部分代码
                ......
        }
    }

runWorker 中使用 while 循环，不断调用 getTask 去获取新任务。

最后看下 getTask 方法做了哪些事：

private Runnable getTask() { 
        boolean timedOut = false; 
        //无限循环
        for (;;) { 
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);
            // 检查队列是否为空
            if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) { 
                decrementWorkerCount();
                return null;
            }
            
            //获取运行线程数，根据allowCoreThreadTimeOut决定是否允许定时等待
            int wc = workerCountOf(c);
            boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
            //线程超时并且队列为空时通过CAS将实际运行线程数减1
            if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
                    && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) { 
                if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                    return null;
                continue;
            }
    
            try { 
                //允许超时则调用队列的poll方法定时等待
                //否则调用take获取任务
                Runnable r = timed ?
                        workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                        workQueue.take();
                //获取任务，返回结果
                if (r != null)
                    return r;
                //继续循环，并且置超时标识为true
                timedOut = true;
            } catch (InterruptedException retry) { 
                timedOut = false;
            }
        }
    }

通过以上源码可以看出：

1.  在for无限循环中，通过不断的检查线程池状态和队列容量，来获取可执行任务；
2.  在 `Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take();`代码中，分为两种情况
    
     *  timed 为 true，允许淘汰 Worker，即实际运行的线程，则通过  
        workQueue.poll的方式定时等待拉取任务，如果在指定keepAliveTime时间内获取任务则返回，如果没有任务则继续for循环并直到timed等于false；
     *  timed 为 false，则会调用 workQueue.take 方法，**队列中 take 方法的含义是当队列有任务时，立即返回队首任务，没有任务时则一直阻塞当前线程，直到有新任务才返回**。

下面简单画了一下核心线程的序列图：  
![核心线程序列图][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NtaWxlX2Zyb21fMjAxNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

## 结论 ##

线程池当未调用 shutdown 方法时，是通过队列的 take 方法阻塞核心线程（Worker）的 run 方法从而保证核心线程不被销毁的。

[Java_start]: https://blog.csdn.net/smile_from_2015/article/details/105233224
[java retry]: https://www.cnblogs.com/captainad/p/10931314.html
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