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了解Java线程池执行原理

程序员文章站 2024-02-21 21:43:06
前言 上一篇已经对进行了分析,了解线程池既有预设的模板,也提供多种参数支撑灵活的定制。 本文将会围绕线程池的生命周期,分析线程池执行任务的过程。 线程池状态 首...

前言

上一篇已经对进行了分析,了解线程池既有预设的模板,也提供多种参数支撑灵活的定制。

本文将会围绕线程池的生命周期,分析线程池执行任务的过程。

线程池状态

首先认识两个贯穿线程池代码的参数:

  • runstate:线程池运行状态
  • workercount:工作线程的数量

线程池用一个32位的int来同时保存runstate和workercount,其中高3位是runstate,其余29位是workercount。代码中会反复使用runstateof和workercountof来获取runstate和workercount。

private final atomicinteger ctl = new atomicinteger(ctlof(running, 0));
private static final int count_bits = integer.size - 3;
private static final int capacity = (1 << count_bits) - 1;
// 线程池状态
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;
// ctl操作
private static int runstateof(int c) { return c & ~capacity; }
private static int workercountof(int c) { return c & capacity; }
private static int ctlof(int rs, int wc) { return rs | wc; }


  • running:可接收新任务,可执行等待队列里的任务
  • shutdown:不可接收新任务,可执行等待队列里的任务
  • stop:不可接收新任务,不可执行等待队列里的任务,并且尝试终止所有在运行任务
  • tidying:所有任务已经终止,执行terminated()
  • terminated:terminated()执行完成

线程池状态默认从running开始流转,到状态terminated结束,中间不需要经过每一种状态,但不能让状态回退。下面是状态变化可能的路径和变化条件:

了解Java线程池执行原理

worker的创建

线程池是由worker类负责执行任务,worker继承了abstractqueuedsynchronizer,引出了java并发框架的核心aqs。

abstractqueuedsynchronizer,简称aqs,是java并发包里一系列同步工具的基础实现,原理是根据状态位来控制线程的入队阻塞、出队唤醒来处理同步。

aqs不会在这里展开讨论,只需要知道worker包装了thread,由它去执行任务。

调用execute将会根据线程池的情况创建worker,可以归纳出下图四种情况:

了解Java线程池执行原理

public void execute(runnable command) {
if (command == null)
throw new nullpointerexception();
int c = ctl.get();
//1
if (workercountof(c) < corepoolsize) {
if (addworker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
//2
if (isrunning(c) && workqueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
if (! isrunning(recheck) && remove(command))
//3
reject(command);
else if (workercountof(recheck) == 0)
//4
addworker(null, false);
}
//5
else if (!addworker(command, false))
//6
reject(command);
}

标记1对应第一种情况,要留意addworker传入了core,core=true为corepoolsize,core=false为maximumpoolsize,

新增时需要检查workercount是否超过允许的最大值。

标记2对应第二种情况,检查线程池是否在运行,并且将任务加入等待队列。标记3再检查一次线程池状态,如果线程池忽然处于非运行状态,那就将等待队列刚加的任务删掉,再交给rejectedexecutionhandler处理。标记4发现没有worker,就先补充一个空任务的worker。

标记5对应第三种情况,等待队列不能再添加任务了,调用addworker添加一个去处理。

标记6对应第四种情况,addworker的core传入false,返回调用失败,代表workercount已经超出maximumpoolsize,那就交给rejectedexecutionhandler处理。

private boolean addworker(runnable firsttask, boolean core) {
//1
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
}
}
//2
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;
}

标记1的第一段代码,目的很简单,是为workercount加一。至于为什么代码写了这么长,是因为线程池的状态在不断

变化,并发环境下需要保证变量的同步性。外循环判断线程池状态、任务非空和队列非空,内循环使用cas机制保证workercount正确地递增。不了解cas可以看认识非阻塞的同步机制cas,后续增减workercount都会使用cas。

标记2的第二段代码,就比较简单。创建一个新worker对象,将worker添加进workers里(set集合)。成功添加后,启动worker里的线程。在finally里判断线程是否启动成功,不成功直接调用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将减少已经递增的workercount,并且调用tryterminate结束线程池。

worker的执行

worker(runnable firsttask) {
setstate(-1); // inhibit interrupts until runworker
this.firsttask = firsttask;
this.thread = getthreadfactory().newthread(this);
}
public void run() {
runworker(this);
}


worker在构造函数里采用threadfactory创建thread,在run方法里调用了runworker,看来是真正执行任务的地方。

final void runworker(worker w) {
thread wt = thread.currentthread();
runnable task = w.firsttask;
w.firsttask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedabruptly = true;
try {
//1
while (task != null || (task = gettask()) != null) {
w.lock();
//2
if ((runstateatleast(ctl.get(), stop) ||
(thread.interrupted() &&
runstateatleast(ctl.get(), stop))) &&
!wt.isinterrupted())
wt.interrupt();
try {
//3
beforeexecute(wt, task);
throwable thrown = null;
try {
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 {
afterexecute(task, thrown);
}
} finally {
task = null;
//4
w.completedtasks++;
w.unlock();
}
}
completedabruptly = false; //5
} finally {
//6
processworkerexit(w, completedabruptly);
}
}

标记1进入循环,从gettask获取要执行的任务,直到返回null。这里达到了线程复用的效果,让线程处理多个任务。

标记2是一个比较复杂的判断,保证了线程池在stop状态下线程是中断的,非stop状态下线程没有被中断。如果你不了解java的中断机制,看如何正确结束java线程这篇

标记3调用了run方法,真正执行了任务。执行前后提供了beforeexecute和afterexecute两个方法,由子类实现。

标记4里的completedtasks统计worker执行了多少任务,最后累加进completedtaskcount变量,可以调用相应方法返回一些统计信息。

标记5的变量completedabruptly表示worker是否异常终止,执行到这里代表执行正常,后续的方法需要这个变量。

标记6调用processworkerexit结束,后面会分析。

接着来看worker从等待队列获取任务的gettask方法:

private runnable gettask() {
boolean timedout = false; // did the last poll() time out?
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runstateof(c);
//1
// check if queue empty only if necessary.
if (rs >= shutdown && (rs >= stop || workqueue.isempty())) {
decrementworkercount();
return null;
}
int wc = workercountof(c);
//2
// 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;
}
//3
try {
runnable r = timed ?
workqueue.poll(keepalivetime, timeunit.nanoseconds) :
workqueue.take();
if (r != null)
return r;
timedout = true;
} catch (interruptedexception retry) {
timedout = false;
}
}
}

标记1检查线程池的状态,这里就体现出shutdown和stop的区别。如果线程池是shutdown状态,还会先处理完等待队列的任务;如果是stop状态,就不再处理等待队列里的任务了。

标记2先看allowcorethreadtimeout这个变量,false时worker空闲,也不会结束;true时,如果worker空闲超过keepalivetime,就会结束。接着是一个很复杂的判断,好难转成文字描述,自己看吧。注意一下wc>maximumpoolsize,出现这种可能是在运行中调用setmaximumpoolsize,还有wc>1,在等待队列非空时,至少保留一个worker。

标记3是从等待队列取任务的逻辑,根据timed分为等待keepalivetime或者阻塞直到有任务。

最后来看结束worker需要执行的操作:

private void processworkerexit(worker w, boolean completedabruptly) {
//1
if (completedabruptly) // if abrupt, then workercount wasn't adjusted
decrementworkercount();
//2
final reentrantlock mainlock = this.mainlock;
mainlock.lock();
try {
completedtaskcount += w.completedtasks;
workers.remove(w);
} finally {
mainlock.unlock();
}
//3
tryterminate();
int c = ctl.get();
//4
if (runstatelessthan(c, stop)) {
if (!completedabruptly) {
int min = allowcorethreadtimeout ? 0 : corepoolsize;
if (min == 0 && ! workqueue.isempty())
min = 1;
if (workercountof(c) >= min)
return; // replacement not needed
}
addworker(null, false);
}
}

正常情况下,在gettask里就会将workercount减一。标记1处用变量completedabruptly判断worker是否异常退出,如果是,需要补充对workercount的减一。

标记2将worker处理任务的数量累加到总数,并且在集合workers中去除。

标记3尝试终止线程池,后续会研究。

标记4处理线程池还是running或shutdown状态时,如果worker是异常结束,那么会直接addworker。如果allowcorethreadtimeout=true,并且等待队列有任务,至少保留一个worker;如果allowcorethreadtimeout=false,workercount不少于corepoolsize。

总结一下worker:线程池启动后,worker在池内创建,包装了提交的runnable任务并执行,执行完就等待下一个任务,不再需要时就结束。

线程池的关闭

线程池的关闭不是一关了事,worker在池里处于不同状态,必须安排好worker的”后事”,才能真正释放线程池。threadpoolexecutor提供两种方法关闭线程池:

  • shutdown:不能再提交任务,已经提交的任务可继续运行;
  • shutdownnow:不能再提交任务,已经提交但未执行的任务不能运行,在运行的任务可继续运行,但会被中断,返回已经提交但未执行的任务。
public void shutdown() {
final reentrantlock mainlock = this.mainlock;
mainlock.lock();
try {
checkshutdownaccess(); //1 安全策略机制
advancerunstate(shutdown); //2
interruptidleworkers(); //3
onshutdown(); //4 空方法,子类实现
} finally {
mainlock.unlock();
}
tryterminate(); //5
}

shutdown将线程池切换到shutdown状态,并调用interruptidleworkers请求中断所有空闲的worker,最后调用tryterminate尝试结束线程池。

public list<runnable> shutdownnow() {
list<runnable> tasks;
final reentrantlock mainlock = this.mainlock;
mainlock.lock();
try {
checkshutdownaccess();
advancerunstate(stop);
interruptworkers();
tasks = drainqueue(); //1
} finally {
mainlock.unlock();
}
tryterminate();
return tasks;
}

shutdownnow和shutdown类似,将线程池切换为stop状态,中断目标是所有worker。drainqueue会将等待队列里未执行的任务返回。

interruptidleworkers和interruptworkers实现原理都是遍历workers集合,中断条件符合的worker。

上面的代码多次出现调用tryterminate,这是一个尝试将线程池切换到terminated状态的方法。

final void tryterminate() {
for (;;) {
int c = ctl.get();
//1
if (isrunning(c) ||
runstateatleast(c, tidying) ||
(runstateof(c) == shutdown && ! workqueue.isempty()))
return;
//2
if (workercountof(c) != 0) { // eligible to terminate
interruptidleworkers(only_one);
return;
}
//3
final reentrantlock mainlock = this.mainlock;
mainlock.lock();
try {
if (ctl.compareandset(c, ctlof(tidying, 0))) {
try {
terminated();
} finally {
ctl.set(ctlof(terminated, 0));
termination.signalall();
}
return;
}
} finally {
mainlock.unlock();
}
// else retry on failed cas
}
}

标记1检查线程池状态,下面几种情况,后续操作都没有必要,直接return。

  • running(还在运行,不能停)
  • tidying或terminated(已经没有在运行的worker)
  • shutdown并且等待队列非空(执行完才能停)

标记2在worker非空的情况下又调用了interruptidleworkers,你可能疑惑在shutdown时已经调用过了,为什么又调用,而且每次只中断一个空闲worker?

你需要知道,shutdown时worker可能在执行中,执行完阻塞在队列的take,不知道要结束,所有要补充调用interruptidleworkers。每次只中断一个是因为processworkerexit时,还会执行tryterminate,自动中断下一个空闲的worker。

标记3是最终的状态切换。线程池会先进入tidying状态,再进入terminated状态,中间提供了terminated这个空方法供子类实现。

调用关闭线程池方法后,需要等待线程池切换到terminated状态。awaittermination检查限定时间内线程池是否进入terminated状态,代码如下:

public boolean awaittermination(long timeout, timeunit unit)
throws interruptedexception {
long nanos = unit.tonanos(timeout);
final reentrantlock mainlock = this.mainlock;
mainlock.lock();
try {
for (;;) {
if (runstateatleast(ctl.get(), terminated))
return true;
if (nanos <= 0)
return false;
nanos = termination.awaitnanos(nanos);
}
} finally {
mainlock.unlock();
}
}

后言

以上过了一遍线程池主要的逻辑,总体来看线程池的设计是很清晰的。如有错误或不足,欢迎指出,也欢迎留言交流。

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持。