从github的一行代码改动来分析线程池原理
引言
温故而知新，可以装逼也。最近看了部分组件化框架CC的源码，其中里面的一个代码改动引起了我的好奇
1.jpg
，可以看到作者将阻塞队列从LinkedBlockingQueue换成了SynchronousQueue。那么问题来了，作者为什么要进行这种更改。对于线程池的使用，相信大家即使没看过源码，面试中也会不可避免的总会被问到一些问题，背都背会了。但是欠下的技术债迟早哪天是要还的，不明白原理，用起来心里没底。
再比如这个问题
ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(0, 10, 60, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
for (int i = 0; i < 10; i++) {
int finalI = i;
poolExecutor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Log.e("mandy", "run" + finalI);
}
});
}
打印的结果是什么，如果你以为是随机打印，说明你对线程池的理解还没到位，运行下代码就知道结果。
现在网上都这么多优秀的线程池源码分析文章了，为什么还要去写，其实之所以写这篇关于线程池的源码分析，主要有以下两个原因：
(1) 证明我看过线程池的源码，没错就是装逼用，不是那种背两个面试题就说自己会线程池的老铁
(2) 看别人的文章总是会有一些理解不了地方，还需要自己去翻源码进一步消化，不如写一篇给自己看的文章，好记性不如烂笔头。其实这不是我第一次看线程池的源码，一段时间后有些关键实现总会想不起来，把自己疑惑的点写出来，将来直接看自己的文章做到查漏补缺的作用，这才是写这篇文章的主要目的。
线程池类之间的关系
下面进入正题，来看下和线程池有关的类
Executor:最底层的接口，内部只包含一个execute方法
public interface Executor {
void execute(Runnable command);
}
ExecutorService:接口，继承自Executor接口,内部包含了shutDown，submit等线程池使用的方法，看下它的继承关系
public interface ExecutorService extends Executor
AbstractExecutorService：实现了ExecutorService大部分方法，但没有实现execute方法，该类中提供了一系列的submit方法，线程池要提交任务最终都会调用这个方法，来随便看一个submit方法
public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task, result);
execute(ftask);
return ftask;
}
通过newTaskFor生成RunnableFuture，然后调用execute执行任务。newTaskFor最终会生成一个FutureTask类，关于FutureTask不就详细说了，之前写过一篇文章分析过Asynctask源码分析，不止于此，感兴趣的可以看看，你可以将FutrueTask当成一个类似Runnable的类可以执行任务。
所以最核心的还是execute方法的实现，最终的实现类就是ThreadPoolExecutor了。而另一个和ThreadPoolExecutor相关的类就是Executors，内部提供了各种现成的线程池使用，本质上就是一个工具类。到此就将Executor，Executors，ExecutorService，AbstractExecutorService，ThreadPoolExecutor之间的关系表述清楚了。核心还是execute方法。
ThreadPoolExecutor成员字段
要想看明白execute方法的源码，就得先来理解下ThreadPoolExecutor中的一些成员变量以及成员字段的含义，等理解之后再看execute方法。看下关键的成员字段
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;
// 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;
// Packing and unpacking ctl
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; }
线程池有5种状态，分别为RUNNING，SHUTDOWN，STOP，TIDYING，TERMINATED，所以需要3个比特位才能表示。一个Integer32个比特长度，线程池中通过一个Integer长度来表示工作线程数和线程池的状态，高3位表示状态后29位表示工作线程数量，这种方式类似于android中的MeasureSpec使用方式。
runStateOf和workerCountOf就是通过位运算得到线程池状态和工作线程数量。ctlOf就是将状态和数量整合成一个Integer。可以看到初始化的时候，ctl为AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));，表示线程池处于运行状态，此时工作线程为0个。
Worker
上面介绍了线程池中有关的成员，接下来介绍下线程池中一个很重要的成员变量Worker，来看下源码
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable
{
/**
* This class will never be serialized, but we provide a
* serialVersionUID to suppress a javac warning.
*/
private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;
/** Thread this worker is running in. Null if factory fails. */
final Thread thread;
/** Initial task to run. Possibly null. */
Runnable firstTask;
/** Per-thread task counter */
volatile long completedTasks;
......
}
thread成员变量：每一个Worker都可以看成一个thread，当Worker被创建时就会生成一个对应的thread保存到这个变量中。
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
从Worker的继承关系可以看出它是一个AQS的子类，关于AQS可以说是实现并发的核心基础，这里不展开说，网上有很多优秀的分析文章，这里只需要知道AQS可以实现同步操作即可。Worker构造函数通过调用setState(-1)将标志位state设置为-1，在runWorker方法中又通过unlock操作重新将state设置为0。这么做的目的和shutDownNow有一定的关系。
来看下shutDownNow源码
public List<Runnable> shutdownNow() {
List<Runnable> tasks;
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
advanceRunState(STOP);
interruptWorkers();
tasks = drainQueue();
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
return tasks;
}
里面调用了 interruptWorkers();关闭所有的Worker，而interruptWorkers源码就是通过worker的state来决定是否调用中断操作。在worker还没真正运行起来之前state为-1，那么interruptWorkers也就不需要中断worker，而如果运行起来后state设置为0满足关闭条件。
Worker中的另一个成员变量firstTask，从命名可以看出表示是否属于Worker的第一个task。Worker运行起来后获取的task有两个途径，其一就是在Worker创建的时候通过构造函数自带过来，另一个途径就是从阻塞队列中去取。如果从第二种途径获取到那么firstTask即为null。
execute源码
搞明白线程池的成员字段和Worker的作用之后，再来看execute源码就比较清楚了。
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();
}
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);
}
可以看出道格.利大佬在写代码的时候真的就是言简意赅，每个函数都显得十分的短小精悍，这点在看ReentrantLock和AQS源码的时候也体现的非常明显。回到上述源码中，首先通过ctl获取到当前线程池的状态，然后通过workerCountOf判断worker的工作数量，如果小于corePoolSize则说明worker数量少于指定核心线程数，通过addWorker再去启动线程。
关于addWorker的大致逻辑就是生成一个Woker对象，然后将worker内部的thread启动起来去处理task，详细源码等下分析，这里知道个大概即可。如果worker数量大于corePoolSize那么直接进入
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);
}
之前说过线程池有5种状态，只有在running状态并且阻塞队列可以存储元素的时候才会执行内部逻辑，在内部逻辑当中又会进行一次isRunning判断，这种双重判断和单例的doublecheck是不是有些类似，如果发现线程池不是running状态则直接调用拒绝策略对该command进行处理。否则进行workerCountOf(recheck) == 0的判断。这里可以看出只有在worker一个都没启动的时候才会执行addWorker操作，否则就是塞到阻塞队列就完事了。
这段代码比较关键，可以看出只要worker启动了一个那么addWorker就不会被执行到。换句话说核心线程都已经启动的情况下，只要阻塞队列还能容纳command，那么永远不会addWorker去启动一个临时线程，或者说线程池不允许有核心线程，那么只会启动一个临时线程。直到阻塞队列offer失败才会进入到最后的那段逻辑，而阻塞队列是否能offer成功就和具体的阻塞队列实现有关系了。
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
分析完execute之后就会发现addWorker才是问题关键，execute的三个分支都调用到了该方法，如果留心的话会发现一些地方调用的是addWorker(null)而另一些地方调用的是addWorker(command)那么接下来看下addWorker是如何启动一个线程，并源源不断的去执行task。
addWorker
先说下addWorker(null)和addWorker(command)的区别，如果阻塞队列还能容纳下的话，那么worker从队列取task执行即可，此时调用addWorker(null)，如果队列满了或者说直接启动核心线程那么首个task就不会从队列去取，此时就需要调用addWorker(command)传入需要被执行的task。这也是Worker中firstTask的含义。搞明白这些区别后再看addWorker的源码
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
}
}
源码中会首先对线程池的状态进行一些判断，如果线程池调用了shutDown关闭了，那么直接返回，shutdown之后submit的任何task都不会被执行。如果没有shutdown那么继续下面的逻辑判断确保wc是正确的范围之内，然后通过CAS操作将worker的数量加1，表示将有一个新的线程马上要被启动了。最后判断下线程池的状态是否正确。一切正常之后接下来进行启动线程的操作。
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;
就不一行行分析了，都能看懂，核心就是t.start的调用，启动了一个新的线程。新启动的线程会执行runnable中的run方法，而worker就是一个runnable实现，所以最终调用到了worker的runworker方法。
runWorker
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
try {
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
w.lock();
// If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
// if not, ensure thread is not interrupted. This
// requires a recheck in second case to deal with
// shutdownNow race while clearing interrupt
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
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;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
首先将firstTask复制给task，关于firstTask前面都已经分析了，不再累述，unlock方法将原本的-1重置回了0，已经在文章分析过了。核心就是启动的这个线程通过一个while循环去不断的执行task，task来源有两个地方，firstTask或者getTask方法。getTask等下分析，如果task为null则直接调用processWorkerExit结束该线程，内部将worker数量减1。
重点看下task不为null的情况，如果线程池调用了shutDownNow方法，那么会将该线程设置为中断状态，所以接下来的task.run被执行时养成良好的习惯，判断下线程是否被中断才是正确的处理方式。每次while循环执行一遍后都会重新通过getTask去获取新的task，这也是线程池为什么能高效利用线程的关键。
getTask
getTask实际上就是一个可以阻塞的方法，有task直接返回，没有的话就会被阻塞住。阻塞的方法有两种分别为阻塞队列的take和poll，如果是核心线程阻塞那么调用take，该方法会一直阻塞，这也是核心线程为什么不会消亡的原因，而如果是临时线程则调用poll方法阻塞，该方法传入阻塞时间的参数，一定时间后没有获取到task就返回null，这也是临时线程为什么有存活时间的原理。j然后你再去看getTask的源码是不是就豁然开朗了。
到此线程池的主要源码就分析完毕了，现在再去看创建线程池的那几个参数是不是印象更加深刻了，最后再回到文章开头的两段代码中，去好好理解下CC作者为什么会将LinkedBlockingQueue改成SynchronousQueue，以及下面那段代码的打印顺序为什么是顺序的。如果还不能解释的话，只能说明你在看源码的时候没有好好思考了。
shutDown和shutDownNow
最后说下shutDown和shutDonwNow的区别，前者是调用之后不再接受新的task，而原有线程池中的task还会继续被执行。而如果调用的是shutDownNow方法，不仅不会接受新的task，包括线程池原有的task执行都会被中断掉。这些不难理解，结合上述分析再看一次源码就明白了。
最后再说一点，在我们通过线程池submit任务的时候，去判断下线程的isInterrupted，尽可能的避免被中断的线程执行多余的逻辑不失为一个好的习惯。AQS对于这块的处理就相当的用心。现在自己也写了一篇关于线程池的分析文章，以后想回顾下线程池的原理，再也不用到处去找别人的文章慢慢啃了。
