java線程池中Worker線程執(zhí)行流程原理解析

更新時間：2022年11月25日 15:51:27 作者：冰_河

這篇文章主要為大家介紹了java線程池中Worker線程執(zhí)行流程原理解析，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進步，早日升職加薪

引言

在《【高并發(fā)】別鬧了，這樣理解線程池執(zhí)行任務(wù)的核心流程才正確??！》一文中我們深度分析了線程池執(zhí)行任務(wù)的核心流程，在ThreadPoolExecutor類的addWorker(Runnable, boolean)方法中，使用CAS安全的更新線程的數(shù)量之后，接下來就是創(chuàng)建新的Worker線程執(zhí)行任務(wù)，所以，我們先來分析下Worker類的源碼。

Worker類分析

Worker類從類的結(jié)構(gòu)上來看，繼承了AQS（AbstractQueuedSynchronizer類）并實現(xiàn)了Runnable接口。本質(zhì)上，Worker類既是一個同步組件，也是一個執(zhí)行任務(wù)的線程。

接下來，我們看下Worker類的源碼，如下所示。

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable {
	private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;
	//執(zhí)行任務(wù)的線程類
	final Thread thread;
	//初始化執(zhí)行的任務(wù)，第一次執(zhí)行的任務(wù)
	Runnable firstTask;
	//完成任務(wù)的計數(shù)
	volatile long completedTasks;
	//Worker類的構(gòu)造方法，初始化任務(wù)并調(diào)用線程工廠創(chuàng)建執(zhí)行任務(wù)的線程
	Worker(Runnable firstTask) {
		setState(-1); 
		this.firstTask = firstTask;
		this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
	}
	//重寫Runnable接口的run()方法
	public void run() {
		//調(diào)用ThreadPoolExecutor類的runWorker(Worker)方法
		runWorker(this);
	}
	//檢測是否是否獲取到鎖
	//state=0表示未獲取到鎖
	//state=1表示已獲取到鎖
	protected boolean isHeldExclusively() {
		return getState() != 0;
	}
	//使用AQS設(shè)置線程狀態(tài)
	protected boolean tryAcquire(int unused) {
		if (compareAndSetState(0, 1)) {
			setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
			return true;
		}
		return false;
	}
	//嘗試釋放鎖
	protected boolean tryRelease(int unused) {
		setExclusiveOwnerThread(null);
		setState(0);
		return true;
	}
	public void lock()        { acquire(1); }
	public boolean tryLock()  { return tryAcquire(1); }
	public void unlock()      { release(1); }
	public boolean isLocked() { return isHeldExclusively(); }
	void interruptIfStarted() {
		Thread t;
		if (getState() >= 0 && (t = thread) != null && !t.isInterrupted()) {
			try {
				t.interrupt();
			} catch (SecurityException ignore) {
			}
		}
	}
}

在Worker類的構(gòu)造方法中，可以看出，首先將同步狀態(tài)state設(shè)置為-1，設(shè)置為-1是為了防止runWorker方法運行之前被中斷。這是因為如果其他線程調(diào)用線程池的shutdownNow()方法時，如果Worker類中的state狀態(tài)的值大于0，則會中斷線程，如果state狀態(tài)的值為-1，則不會中斷線程。

Worker類實現(xiàn)了Runnable接口，需要重寫run方法，而Worker的run方法本質(zhì)上調(diào)用的是ThreadPoolExecutor類的runWorker方法，在runWorker方法中，會首先調(diào)用unlock方法，該方法會將state置為0，所以這個時候調(diào)用shutDownNow方法就會中斷當(dāng)前線程，而這個時候已經(jīng)進入了runWork方法，就不會在還沒有執(zhí)行runWorker方法的時候就中斷線程。

注意：大家需要重點理解Worker類的實現(xiàn)。

Worker類中調(diào)用了ThreadPoolExecutor類的runWorker(Worker)方法。接下來，我們一起看下ThreadPoolExecutor類的runWorker(Worker)方法的實現(xiàn)。

runWorker(Worker)方法

首先，我們看下RunWorker(Worker)方法的源碼，如下所示。

final void runWorker(Worker w) {
	Thread wt = Thread.currentThread();
	Runnable task = w.firstTask;
	w.firstTask = null;
	//釋放鎖，將state設(shè)置為0,允許中斷任務(wù)的執(zhí)行
	w.unlock();
	boolean completedAbruptly = true;
	try {
		//如果任務(wù)不為空，或者從任務(wù)隊列中獲取的任務(wù)不為空，則執(zhí)行while循環(huán)
		while (task != null || (task = getTask()) != null) {
			//如果任務(wù)不為空，則獲取Worker工作線程的獨占鎖
			w.lock();
			//如果線程已經(jīng)停止，或者中斷線程后線程終止并且沒有成功中斷線程
			//大家好好理解下這個邏輯
			if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
				 (Thread.interrupted() &&
				  runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
				!wt.isInterrupted())
				//中斷線程
				wt.interrupt();
			try {
				//執(zhí)行任務(wù)前執(zhí)行的邏輯
				beforeExecute(wt, task);
				Throwable thrown = null;
				try {
					//調(diào)用Runable接口的run方法執(zhí)行任務(wù)
					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 {
					//執(zhí)行任務(wù)后執(zhí)行的邏輯
					afterExecute(task, thrown);
				}
			} finally {
				//任務(wù)執(zhí)行完成后，將其設(shè)置為空
				task = null;
				//完成的任務(wù)數(shù)量加1
				w.completedTasks++;
				//釋放工作線程獲得的鎖
				w.unlock();
			}
		}
		completedAbruptly = false;
	} finally {
		//執(zhí)行退出Worker線程的邏輯
		processWorkerExit(w, completedAbruptly);
	}
}

這里，我們拆解runWorker(Worker)方法。

（1）獲取當(dāng)前線程的句柄和工作線程中的任務(wù)，并將工作線程中的任務(wù)設(shè)置為空，執(zhí)行unlock方法釋放鎖，將state狀態(tài)設(shè)置為0，此時可以中斷工作線程，代碼如下所示。

Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
//釋放鎖，將state設(shè)置為0,允許中斷任務(wù)的執(zhí)行
w.unlock();

（2）在while循環(huán)中進行判斷，如果任務(wù)不為空，或者從任務(wù)隊列中獲取的任務(wù)不為空，則執(zhí)行while循環(huán)，否則，調(diào)用processWorkerExit(Worker, boolean)方法退出Worker工作線程。

while (task != null || (task = getTask()) != null)

（3）如果滿足while的循環(huán)條件，首先獲取工作線程內(nèi)部的獨占鎖，并執(zhí)行一系列的邏輯判斷來檢測是否需要中斷當(dāng)前線程的執(zhí)行，代碼如下所示。

//如果任務(wù)不為空，則獲取Worker工作線程的獨占鎖
w.lock();
//如果線程已經(jīng)停止，或者中斷線程后線程終止并且沒有成功中斷線程
//大家好好理解下這個邏輯
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
	 (Thread.interrupted() &&
	  runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
	!wt.isInterrupted())
	//中斷線程
	wt.interrupt();

（4）調(diào)用執(zhí)行任務(wù)前執(zhí)行的邏輯，如下所示

//執(zhí)行任務(wù)前執(zhí)行的邏輯
beforeExecute(wt, task);

（5）調(diào)用Runable接口的run方法執(zhí)行任務(wù)

//調(diào)用Runable接口的run方法執(zhí)行任務(wù)
task.run();

（6）調(diào)用執(zhí)行任務(wù)后執(zhí)行的邏輯

//執(zhí)行任務(wù)后執(zhí)行的邏輯
afterExecute(task, thrown);

（7）將完成的任務(wù)設(shè)置為空，完成的任務(wù)數(shù)量加1并釋放工作線程的鎖。

//任務(wù)執(zhí)行完成后，將其設(shè)置為空
task = null;
//完成的任務(wù)數(shù)量加1
w.completedTasks++;
//釋放工作線程獲得的鎖
w.unlock();

（8）退出Worker線程的執(zhí)行，如下所示

//執(zhí)行退出Worker線程的邏輯
processWorkerExit(w, completedAbruptly);

從代碼分析上可以看到，當(dāng)從Worker線程中獲取的任務(wù)為空時，會調(diào)用getTask()方法從任務(wù)隊列中獲取任務(wù)，接下來，我們看下getTask()方法的實現(xiàn)。

getTask()方法

我們先來看下getTask()方法的源代碼，如下所示。

private Runnable getTask() {
	//輪詢是否超時的標(biāo)識
	boolean timedOut = false;
	//自旋for循環(huán)
	for (;;) {
		//獲取ctl
		int c = ctl.get();
		//獲取線程池的狀態(tài)
		int rs = runStateOf(c);
		//檢測任務(wù)隊列是否在線程池停止或關(guān)閉的時候為空
		//也就是說任務(wù)隊列是否在線程池未正常運行時為空
		if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
			//減少Worker線程的數(shù)量
			decrementWorkerCount();
			return null;
		}
		//獲取線程池中線程的數(shù)量
		int wc = workerCountOf(c);
		//檢測當(dāng)前線程池中的線程數(shù)量是否大于corePoolSize的值或者是否正在等待執(zhí)行任務(wù)
		boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
		//如果線程池中的線程數(shù)量大于corePoolSize
		//獲取大于corePoolSize或者是否正在等待執(zhí)行任務(wù)并且輪詢超時
		//并且當(dāng)前線程池中的線程數(shù)量大于1或者任務(wù)隊列為空
		if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
			&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
			//成功減少線程池中的工作線程數(shù)量
			if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
				return null;
			continue;
		}
		try {
			//從任務(wù)隊列中獲取任務(wù)
			Runnable r = timed ?
				workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
				workQueue.take();
			//任務(wù)不為空直接返回任務(wù)
			if (r != null)
				return r;
			timedOut = true;
		} catch (InterruptedException retry) {
			timedOut = false;
		}
	}
}

getTask()方法的邏輯比較簡單，大家看源碼就可以了，我這里就不重復(fù)描述了。

接下來，我們看下在正式調(diào)用Runnable的run()方法前后，執(zhí)行的beforeExecute方法和afterExecute方法。

beforeExecute(Thread, Runnable)方法

beforeExecute(Thread, Runnable)方法的源代碼如下所示。

protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }

可以看到，beforeExecute(Thread, Runnable)方法的方法體為空，我們可以創(chuàng)建ThreadPoolExecutor的子類來重寫beforeExecute(Thread, Runnable)方法，使得線程池正式執(zhí)行任務(wù)之前，執(zhí)行我們自己定義的業(yè)務(wù)邏輯。

afterExecute(Runnable, Throwable)方法

afterExecute(Runnable, Throwable)方法的源代碼如下所示。

protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) { }

可以看到，afterExecute(Runnable, Throwable)方法的方法體同樣為空，我們可以創(chuàng)建ThreadPoolExecutor的子類來重寫afterExecute(Runnable, Throwable)方法，使得線程池在執(zhí)行任務(wù)之后執(zhí)行我們自己定義的業(yè)務(wù)邏輯。

接下來，就是退出工作線程的processWorkerExit(Worker, boolean)方法。

processWorkerExit(Worker, boolean)方法

processWorkerExit(Worker, boolean)方法的邏輯主要是執(zhí)行退出Worker線程，并且對一些資源進行清理，源代碼如下所示。

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
	//執(zhí)行過程中出現(xiàn)了異常，突然中斷
	if (completedAbruptly)
		//將工作線程的數(shù)量減1
		decrementWorkerCount();
	//獲取全局鎖
	final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
	mainLock.lock();
	try {
		//累加完成的任務(wù)數(shù)量
		completedTaskCount += w.completedTasks;
		//將完成的任務(wù)從workers集合中移除
		workers.remove(w);
	} finally {
		//釋放鎖
		mainLock.unlock();
	}
	//嘗試終止工作線程的執(zhí)行
	tryTerminate();
	//獲取ctl
	int c = ctl.get();
	//判斷當(dāng)前線程池的狀態(tài)是否小于STOP（RUNNING或者SHUTDOWN）
	if (runStateLessThan(c, STOP)) {
		//如果沒有突然中斷完成
		if (!completedAbruptly) {
			//如果allowCoreThreadTimeOut為true，為min賦值為0，否則賦值為corePoolSize
			int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
			//如果min為0并且工作隊列不為空
			if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())
				//min的值設(shè)置為1
				min = 1;
			//如果線程池中的線程數(shù)量大于min的值
			if (workerCountOf(c) >= min)
				//返回，不再執(zhí)行程序
				return; 
		}
		//調(diào)用addWorker方法
		addWorker(null, false);
	}
}

接下來，我們拆解processWorkerExit(Worker, boolean)方法。

（1）執(zhí)行過程中出現(xiàn)了異常，突然中斷執(zhí)行，則將工作線程數(shù)量減1，如下所示。

//執(zhí)行過程中出現(xiàn)了異常，突然中斷
if (completedAbruptly)
	//將工作線程的數(shù)量減1
	decrementWorkerCount();

（2）獲取鎖累加完成的任務(wù)數(shù)量，并將完成的任務(wù)從workers集合中移除，并釋放，如下所示。

//獲取全局鎖
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
	//累加完成的任務(wù)數(shù)量
	completedTaskCount += w.completedTasks;
	//將完成的任務(wù)從workers集合中移除
	workers.remove(w);
} finally {
	//釋放鎖
	mainLock.unlock();
}

（3）嘗試終止工作線程的執(zhí)行

//嘗試終止工作線程的執(zhí)行
tryTerminate();

（4）處判斷當(dāng)前線程池中的線程個數(shù)是否小于核心線程數(shù)，如果是，需要新增一個線程保證有足夠的線程可以執(zhí)行任務(wù)隊列中的任務(wù)或者提交的任務(wù)。

//獲取ctl
int c = ctl.get();
//判斷當(dāng)前線程池的狀態(tài)是否小于STOP（RUNNING或者SHUTDOWN）
if (runStateLessThan(c, STOP)) {
	//如果沒有突然中斷完成
	if (!completedAbruptly) {
		//如果allowCoreThreadTimeOut為true，為min賦值為0，否則賦值為corePoolSize
		int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
		//如果min為0并且工作隊列不為空
		if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())
			//min的值設(shè)置為1
			min = 1;
		//如果線程池中的線程數(shù)量大于min的值
		if (workerCountOf(c) >= min)
			//返回，不再執(zhí)行程序
			return; 
	}
	//調(diào)用addWorker方法
	addWorker(null, false);
}

接下來，我們看下tryTerminate()方法。

tryTerminate()方法

tryTerminate()方法的源代碼如下所示。

final void tryTerminate() {
	//自旋for循環(huán)
	for (;;) {
		//獲取ctl
		int c = ctl.get();
		//如果線程池的狀態(tài)為RUNNING
		//或者狀態(tài)大于TIDYING
		//或者狀態(tài)為SHUTDOWN并且任務(wù)隊列為空
		//直接返回程序，不再執(zhí)行后續(xù)邏輯
		if (isRunning(c) ||
			runStateAtLeast(c, TIDYING) ||
			(runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty()))
			return;
		//如果當(dāng)前線程池中的線程數(shù)量不等于0
		if (workerCountOf(c) != 0) { 
			//中斷線程的執(zhí)行
			interruptIdleWorkers(ONLY_ONE);
			return;
		}
		//獲取線程池的全局鎖
		final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
		mainLock.lock();
		try {
			//通過CAS將線程池的狀態(tài)設(shè)置為TIDYING
			if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {
				try {
					//調(diào)用terminated()方法
					terminated();
				} finally {
					//將線程池狀態(tài)設(shè)置為TERMINATED
					ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));
					//喚醒所有因為調(diào)用線程池的awaitTermination方法而被阻塞的線程
					termination.signalAll();
				}
				return;
			}
		} finally {
			//釋放鎖
			mainLock.unlock();
		}
	}
}

（1）獲取ctl，根據(jù)情況設(shè)置線程池狀態(tài)或者中斷線程的執(zhí)行，并返回。

//獲取ctl
int c = ctl.get();
//如果線程池的狀態(tài)為RUNNING
//或者狀態(tài)大于TIDYING
//或者狀態(tài)為SHUTDOWN并且任務(wù)隊列為空
//直接返回程序，不再執(zhí)行后續(xù)邏輯
if (isRunning(c) ||
	runStateAtLeast(c, TIDYING) ||
	(runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty()))
	return;
//如果當(dāng)前線程池中的線程數(shù)量不等于0
if (workerCountOf(c) != 0) { 
	//中斷線程的執(zhí)行
	interruptIdleWorkers(ONLY_ONE);
	return;
}

（2）獲取全局鎖，通過CAS設(shè)置線程池的狀態(tài)，調(diào)用terminated()方法執(zhí)行邏輯，最終將線程池的狀態(tài)設(shè)置為TERMINATED，喚醒所有因為調(diào)用線程池的awaitTermination方法而被阻塞的線程，最終釋放鎖，如下所示。

//獲取線程池的全局
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
	//通過CAS將線程池的狀態(tài)設(shè)置為TIDYING
	if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {
		try {
			//調(diào)用terminated()方法
			terminated();
		} finally {
			//將線程池狀態(tài)設(shè)置為TERMINATED
			ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));
			//喚醒所有因為調(diào)用線程池的awaitTermination方法而被阻塞的線程
			termination.signalAll();
		}
		return;
	}
} finally {
	//釋放鎖
	mainLock.unlock();
}

接下來，看下terminated()方法。

terminated()方法

terminated()方法的源代碼如下所示。

protected void terminated() { }

可以看到，terminated()方法的方法體為空，我們可以創(chuàng)建ThreadPoolExecutor的子類來重寫terminated()方法，值得Worker線程調(diào)用tryTerminate()方法時執(zhí)行我們自己定義的terminated()方法的業(yè)務(wù)邏輯。

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