线程池之运行过程原理

在刚开始提交任务的时候，线程池会创建核心线程，等核心线程创建完毕，开始将任务加入阻塞队列，队列满了之后最后才创建非核心线程。

线程池中每一个具体的线程运行过程是什么样的？

1 在创建Worker线程的时候，如果成功创建，会立刻调用start方法。

//在addWorker()部分
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
...
if (workerAdded) {
    t.start();
    workerStarted = true;
}

2 看一下Worker类的结构，便可以了解到Worker线程在start之后做了什么事情

• Worker的构造方法，创建thread时传入自身作为参数，worker自身实现了Runnable接口。
• worker.thread.start()方法，调用的就是Worker的run()方法
• 实际上调用的事runWorker方法

Worker(Runnable firstTask) {
       setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
       this.firstTask = firstTask;
             this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}

public void run() {
       runWorker(this);
}

从上面我们可以知道了，在Worker创建之后就会启动，调用runWorker方法。

3 简化一下runWorker的流程

• 如果构造Worker的时候，指定了firstTask，那么首先执行firstTask，否则从队列中获取任务
• Worker线程会循环的getTask()，然后去执行任务
• 如果getTask()为空，那么worker线程就会退出
• 在任务执行前后，可以自定义扩展beforeExecute与afterExecute方法
• 如果检测到线程池为STOP状态，并且线程还没有被中断过的话，进行中断处理

关键点：

• Worker线程什么时候会退出？在从任务队列获取到的任务为空时
• beforeExecute与afterExecute默认为空实现，可以对线程池做一些扩展，比如统计线程状态

    final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        w.unlock(); // allow interrupts
        // 代表着Worker是否因为用户的程序有问题导致的死亡
        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 (Exception x) {
                                                //... 不同的异常处理
                    } finally {
                        afterExecute(task, thrown);
                    }
                } finally {
                    task = null;
                    w.completedTasks++;
                    w.unlock();
                }
            }
            completedAbruptly = false;
        } finally {
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
    }

4 getTask做了那些事情呢？

• 内部可能会阻塞或者有时间限制的等待任务，取决于配置
• 什么时候getTask返回null呢？即代表退出当前的worker
  • 1 当前的worker数量大于maximumPoolSize的worker数量
  • 2 线程池当前处于STOP状态，即shutdownNow
  • 3 线程池处于SHUTDOWN状态，并且当前的队列为空
  • 4 worker线程等待task超时了，并且当前的worker线程配置为可以被退出

关键点：

• 如果配置了allowCoreThreadTimeOut，代表核心线程在配置的keepAliveTime时间内没获取到任务，会执行退出操作
• 控制Worker线程是阻塞还是基于时间等待的代码。Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take();

    private Runnable getTask() {
        boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?

        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);

                      // 2和3的情况
            // Check if queue empty only if necessary.
            if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
                decrementWorkerCount();
                return null;
            }

            int wc = workerCountOf(c);
                        
                        // 1和4的情况
            // 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;
            }
        }
    }

5 worker的退出操作做了什么事情，completedAbruptly代表是否由于用户程序导致的线程退出

• 1 退出线程前，会把当前线程执行的任务总数completedTasks获取到，类加到当前线程池执行的任务总数上
• 2 tryTerminate()如果判断当前的线程是RUNNING状态会直接返回，因此什么都没做
• 3 如果是用户程序执行异常导致的Worker退出，会再次新启动一个Woker线程
• 4 如果不是用户程序导致的Worker退出
  • 判断当前可以允许的最小核心线程数量，配置allowCoreThreadTimeOut为true的话，最小核心线程数可以为0。
  • 只要当前的核心线程数大于最小核心线程数，那么直接返回，否则新建一个Worker线程。

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
        if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted
            decrementWorkerCount();

        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            completedTaskCount += w.completedTasks;
            workers.remove(w);
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }

        tryTerminate();

        int c = ctl.get();
        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);
        }
    }

最后

在Worker执行的过程中，我们可以提炼几个问题：

1 Worker线程在什么时候开始执行？

2 Worker线程在什么情况下会退出？

3 什么情况下获取任务为空？

4 核心线程是否允许退出？如果可以，要怎么操作？

5 用户程序异常导致的Worker退出与Worker内部机制退出有什么区别？

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