学习线程池源码--ThreadPoolExecutor
1 创建ThreadPoolExecutor
ThreadPollExecutor有四个构造函数，但本质上都是调用这一个构造函数。
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
...
}
corePoolSize: 线程池核心线程数量
maximumPoolSize：线程池最大线程数量
keepAliveTime：线程空闲时间
unit：空闲时间单位
workQueue：工作队列，没有空闲线程时新加的任务会放入工作队列中排队等待。工作队列共有四种实现：
a.ArrayBlockingQueue: 创建固定大小的阻塞队列， 采用的是数组的结构方式
b.LinkedBlockingQueue: 创建固定大小的阻塞队列，如果为传入参数，则会创建Integer.MaxValue大小的队列
c.SynchronousQueue: 创建一个不存储元素的阻塞队列，每一个元素的插入都必须等待一个元素的移除操作，不然会一直阻塞。
d.PriorityBlockingQueue: 一个具有优先级的无限阻塞队列。
threadFactory：线程工厂，用于创建线程池中的线程，可以自己实现，默认工厂创建的线程名称为-poolNumber-thread-threadNumber，如：pool-1-thread-10
handler: 拒绝策略，当线程池线程达到最大后添加任务不能被执行时的处理策略。拒绝策略有4种实现，当然也可以自己实现（继承RejectExecutionHandle）。
a. AbortPolicy：默认拒绝策略，丢弃这个任务并抛出RejectedExecutionException异常
b. DiscardPolicy：直接丢弃，不做任何处理
c. DiscardOldestPolicy：将工作队列头部元素丢弃（最老的），然后重新提交任务
d. CallerRunsPolicy：主线程直接去执行这个任务，不用等待线程池
Executors工具类提供了几种ThreadpoolExecutor的创建方法：
1. FixedThreadPool
FixedThreadPool的corePoolSize和maximumPoolSize都被设置为同一个参数nThreads
keepAliveTime被设为0L意味着多余的空闲线程会被立即终止
FixedThreadPool使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的工作队列（队列容量为Integer.MAX_VALUE）。这意味着当线程池中的线程数达到corePoolSize时，新任务会被放入工作队列，因此线程池中的线程不会超过核心线程数。所以此时maximumPoolSize和keepAliveTime都是无效参数，并且只要线程池在运行中便不会拒绝任务。
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
2. SingleThreadExecutor
SingleThreadExecutor是一个使用单个worker线程的Executor，它的核心线程数和最大线程数都被设为1，相当于单线程的FixedThreadPool。
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
3. CachedThreadPool
CachedThreadPool是一个会根据需要创建新线程的线程池，它的corePoolSize为0，意味着核心线程为空。
keepAliveTime被设为60L意味着多余的空闲线程会在空闲60s后被终止。
使用没有容量的SynchronousQueue作为工作队列，每次offer操作必须等待另一个take操作，反之亦然，SynchronousQueue就像一个门框（门框上不可以站人）。
最大线程数为Integer.MAX_VALUE，意味着当主线程提交任务速度高于线程池中的线程处理速度时，会无限制的创建新线程。极端情况下，会因为创建过多的线程耗尽CPU和内存资源。
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
2 线程池工作原理
1. 当一个任务被提交时，线程池会判断核心线程数量是否达到最大，如果没有则会通过线程工厂创建一个新的线程来执行任务；如果达到最大则执行步骤2.
2. 尝试将任务放入工作队列，如果成功加入工作队列，当有工作线程空闲时会去工作队列中获取一个任务来执行；如果加入失败则执行步骤3.
3. 判断线程数量是否已达到最大线程数量，如果没有则会通过线程工厂创建一个新的线程来执行任务；如果已达到最大线程数，则执行拒绝策略
3 源码分析
3.1 核心静态变量及方法
//高3位表示运行的状态，低29未表示线程池中运行的线程数量。
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
//Integer的大小为32，Integer.SIZE - 3 = 29
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
//1左移29位后减1，高3位全为0，低29位全为1
private static final int CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1;
// runState is stored in the high-order bits
//高3位：111 【-1的二进制为32位全为1（取反加1），左移29位后高3位为111】
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
//高3位：000
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
//高3位: 001
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
//高3位：010
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
//高3位：011
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;
// Packing and unpacking ctl
// CAPACITY取反后高3位全为1，低29位全为0，与运算后c的低29位全为0，保留高3位获取runState
private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }
// CAPACITY高3位全为0，低29位全为1，与运算后c的高3位全为0，保留低29位获取线程数量
private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }
3.2 入口方法（execute）
- 如果工作线程未达到核心线程数，直接创建一个工作线程来执行任务，创建失败则继续执行下一步。
- 如果线程池正在运行中并且将任务加入工作队列成功，则进行安全检查，虽然加入工作队列成功，但是保不齐其他调用者或者线程此时会修改线程池状态，那么此时我们就需要将任务再进行必要的移除，这是考虑复杂情况的一种安全机制的保障。
- 如果加入队列失败，工作线程未达到最大线程数，则创建一个新的线程来执行任务，工作线程已达到最大线程数则执行拒绝策略
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
//高3位表示运行的状态，低29未表示线程池中运行的线程数量。
int c = ctl.get();
//根据低29位获取线程数
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
//如果工作线程数量小于核心线程数，尝试创建新的worker线程来执行任务
if (addWorker(command, true))
return;
//如果失败可能是在addWorker时ctl发生改变（核心线程数达到最大），所以重新获取值
c = ctl.get();
}
//如果线程池正在运行中并且将任务加入工作队列成功
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
//如果此刻线程池已不在运行并且任务从队列移除成功，执行拒绝策略
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
//如果此刻线程池还在运行，但是工作线程数量为0，则增加一个空的工作线程
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
//如果加入队列失败，工作线程未达到最大线程数，则创建一个新的线程来执行任务
else if (!addWorker(command, false))
//工作线程已达到最大线程数，执行拒绝策略
reject(command);
}
3.3 增加工作线程（addWorker）
首先通过CAS操作增加工作线程数量，增加成功后实例化一个工作线程用来执行任务，然后将工作线程加入works，因为works实际上是一个非线程安全的容器（HashSet），所以通过可重入锁（ReentrantLock）来保证了线程安全问题，防止多个任务同时提交导致works计算不准确，如果添加成功则将该工作线程启动。
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
//continue retry; 可以使retry：后面的代码块重新执行
//break retry; 可以使retry：后面的代码块终止执行，不管有多少层循环嵌套
retry:
for (;;) {
//高3位表示运行的状态，低29未表示线程池中运行的线程数量。
int c = ctl.get();
//获取线程池的运行状态
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
//获取工作线程数量
int wc = workerCountOf(c);
//如果工作线程数超过限制，则返回添加失败
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
//通过CAS机制增加工作线程数，成功则直接跳出循环
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
//如果CAS操作失败，则说明其他调用者或者线程修改了线程池数据，需要重新读取
c = ctl.get(); // Re-read ctl
//如果当前线程池状态已经发生了改变，则从最外层循环开始重新执行
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// 否则继续当前循环
}
}
//工作线程启动状态
boolean workerStarted = false;
//工作线程添加状态
boolean workerAdded = false;
//工作线程引用
Worker w = null;
try {
//实例化一个工作线程用于执行任务
w = new Worker(firstTask);
//取工作线程中的线程
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
//获取可重入锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
//加锁，防止多个线程同时提交任务导致works计算不准确，因为works实际上使用HashSet存储的，非线程安全的
mainLock.lock();
try {
// 获取线程池运行状态
int rs = runStateOf(ctl.get());
//如果线程池处于运行状态
if (rs < SHUTDOWN ||
//或者终止状态并且任务为空
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
//如果该线程已运行，则抛出IllegalThreadStateException异常
if (t.isAlive())
throw new IllegalThreadStateException();
//将新建的工作线程加入works
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
//调整工作线程添加状态为true
workerAdded = true;
}
} finally {
//释放锁
mainLock.unlock();
}
//如果工作线程已添加，则启动该线程，并将工作线程启动状态改为true
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
//如果工作线程未启动，执行添加失败逻辑
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
