Java 线程池 ThreadPoolExecutor 的状态控制变量 ctrl

如下是源代码。

线程池的主要控制状态 ctl 是一个原子整数，它打包了两个概念字段：

• workerCount：表示当前有效运行的线程数。
• runState：表示线程池的状态（如是否正在运行、关闭等）。

为了将这两个字段打包成一个 int，我们将 workerCount 限制为 (2^{29} - 1)（约5亿），而不是 (2^{31} - 1)（约20亿）。如果将来这成为一个问题，可以将变量改为 AtomicLong，并调整下面的移位/掩码常量。但在需要出现之前，使用 int 可以使代码更快且更简单。

workerCount 表示被允许启动且未被允许停止的工作线程数量。这个值可能暂时与实际存活线程的数量不同，例如当 ThreadFactory 在被要求创建线程时失败，或者退出线程在终止前仍在进行清理工作时。用户可见的线程池大小报告为 workers 集合的当前大小。

runState 提供主要的生命周期控制，取以下值：

• RUNNING：接受新任务并处理队列中的任务。
• SHUTDOWN：不接受新任务，但处理队列中的任务。
• STOP：不接受新任务，不处理队列中的任务，并中断正在进行的任务。
• TIDYING：所有任务已终止，workerCount 为零，正在转换到 TIDYING 状态的线程将运行 terminated() 钩子方法。
• TERMINATED：terminated() 方法已完成。

这些值之间的数值顺序很重要，以便进行有序比较。runState 随时间单调增加，但不一定经过每个状态。状态转换如下：

• RUNNING -> SHUTDOWN：调用 shutdown() 时。
• RUNNING 或 SHUTDOWN -> STOP：调用 shutdownNow() 时。
• SHUTDOWN -> TIDYING：当队列和线程池都为空时。
• STOP -> TIDYING：当线程池为空时。
• TIDYING -> TERMINATED：当 terminated() 钩子方法完成后，等待在 awaitTermination() 中的线程将在状态达到 TERMINATED 时返回。

检测从 SHUTDOWN 到 TIDYING 的转换不如预期那样直接，因为队列可能在 SHUTDOWN 状态期间变为空或再次变为非空。我们只能在看到队列为空后，再确认 workerCount 为 0 才能终止（有时需要重新检查）。

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关键点总结：

• ctl：一个原子整数，包含 workerCount 和 runState。
• workerCount：表示有效线程数，最大为 (2^{29} - 1)。
• runState：表示线程池的状态，有多个状态值。
• 状态转换：根据调用的方法和条件，线程池状态会从一个状态转换到另一个状态。
• 终止检测：检测从 SHUTDOWN 到 TIDYING 的转换较为复杂，需要确保队列为空且 workerCount 为 0。

以下是代码的逐行解析，按 变量 和 方法 分类整理为表格：

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变量定义表格

变量名	值/表达式	作用
ctl	AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0))	原子整数，高3位存储线程池状态（runState），低29位存储工作线程数（workerCount）。初始状态为RUNNING，线程数为0。
COUNT_BITS	Integer.SIZE - 3	工作线程数占用的位数（29位），因为32位整数的高3位用于状态。
CAPACITY	(1 << COUNT_BITS) - 1	工作线程数的最大值掩码（低29位全1，例如 00011111...），用于从ctl中提取workerCount。
RUNNING	-1 << COUNT_BITS	运行状态：线程池接受新任务并处理队列中的任务。对应二进制高3位为111。
SHUTDOWN	0 << COUNT_BITS	关闭状态：不再接受新任务，但处理队列中的剩余任务。高3位为000。
STOP	1 << COUNT_BITS	停止状态：不再接受新任务，不处理队列任务，并中断进行中的任务。高3位为001。
TIDYING	2 << COUNT_BITS	整理状态：所有任务已终止，线程数归零，将执行terminated()钩子方法。高3位为010。
TERMINATED	3 << COUNT_BITS	终止状态：terminated()方法已完成。高3位为011。

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方法解析表格

方法名	输入参数	返回值/逻辑	作用
runStateOf(int c)	c（ctl的当前值）	return c & ~CAPACITY;	从ctl中提取线程池状态（高3位），通过掩码~CAPACITY（高3位为1，低29位为0）过滤。
workerCountOf(int c)	c（ctl的当前值）	return c & CAPACITY;	从ctl中提取工作线程数（低29位），通过掩码CAPACITY（低29位为1）过滤。
ctlOf(int rs, int wc)	rs（状态）、wc（线程数）	return rs | wc;	将线程池状态（高3位）和工作线程数（低29位）合并为一个整数，形成完整的ctl值。
runStateLessThan(int c, int s)	c（ctl值）、s（目标状态）	return c < s;	判断当前状态是否早于目标状态（例如，RUNNING是否在SHUTDOWN之前）。状态值越小，阶段越早。
runStateAtLeast(int c, int s)	c（ctl值）、s（目标状态）	return c >= s;	判断当前状态是否等于或晚于目标状态（例如，STOP是否在SHUTDOWN之后）。状态值越大，阶段越晚。
isRunning(int c)	c（ctl值）	return c < SHUTDOWN;	判断线程池是否处于运行状态（RUNNING）。因为SHUTDOWN的高3位是000，而其他状态的高3位更大，所以c < SHUTDOWN等价于状态为RUNNING。

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关键设计思想

1. 状态与线程数的合并存储
   用一个AtomicInteger（ctl）同时保存线程池状态和工作线程数，通过位操作分离高3位和低29位，减少锁竞争并提高性能。

2. 状态顺序与数值关系
   状态值按生命周期顺序定义（RUNNING < SHUTDOWN < STOP < TIDYING < TERMINATED），通过直接比较数值大小即可判断状态阶段，避免复杂的逻辑判断。

3. 掩码操作

   • CAPACITY掩码用于提取低29位的线程数（workerCount）。
   • ~CAPACITY掩码用于提取高3位的状态（runState）。

4. 原子性保证
   ctl使用AtomicInteger确保对状态和线程数的修改是原子的，避免多线程环境下的竞态条件。

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示例说明

假设ctl的值为 11100000...00000010（高3位为111表示RUNNING，低29位为2）：

• runStateOf(ctl.get()) → RUNNING
• workerCountOf(ctl.get()) → 2
• isRunning(ctl.get()) → true（因为RUNNING < SHUTDOWN）

通过这种设计，线程池的高效状态管理得以实现。