Android多线程学习：线程池（二）

一、线程池运行流程

具体执行流程如下：

1、首先检测线程池运行状态，如果不是RUNNING，则直接拒绝，线程池要保证在RUNNING的状态下执行任务；

2、如果workerCount < corePoolSize，则创建并启动一个线程来执行新提交的任务；

3、如果workerCount >= corePoolSize，且线程池内的阻塞队列未满，则将任务添加到该阻塞队列中，然后空闲的核心线程会依次去缓存队列中取任务来执行；

4、如果workerCount >= corePoolSize && workerCount < maximumPoolSize，且线程池内的阻塞队列已满，则创建并启动一个非核心线程（临时工）来执行新提交的任务；

5、如果workerCount >= maximumPoolSize，并且线程池内的阻塞队列已满, 则根据拒绝策略来处理该任务, 默认的处理方式是直接抛异常。

线程池运行.png

二、线程池状态计算

上一节讲了线程池状态的含义及转化，这节讲状态变量计算方式：

    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 bitsprivate 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 ctlprivate static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }  //计算当前运行状态private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }  //计算当前线程数量private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }  //通过状态和线程数生成ctl

如上面代码所示：
ThreadPoolExecutor中使用一个AtomicInteger 类来表示线程池状态及该状态下的线程数量。将一个32位的int值分为了两部分，前3位表示线程状态，后29位表示线程个数，最大可表示2^29 - 1个线程，运行线程池根本达不到这个数量。

位数计算：
COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3 = 32 - 3 = 29
容量计算：
CAPACITY = (1 << COUNT_BITS) - 1 = 100000000000000000000000000000(30位) - 1 = 11111111111111111111111111111(29位)

之所以这样设计是因为线程池天生处于一个并发的环下，如果分开用两个变量进行存储，就必须要通过锁进行线程安全处理，从而保证两个变量的修改具备原子性，但是这种做法对性能影响非常严重，因此将两个变量分别包装在一个变量中，最后的并发操作发生在AtomicInteger 上，而AtomicInteger 恰恰就是一个无锁原子操作类，这样既可以解决线程安全问题，又避免锁的使用，从而保证了并发性能。并且这里都使用的是位运算的方式，相比于基本运算，速度也会快很多。

三、线程池源码阅读

1、任务执行入口execute：

public void execute(Runnable command) {if (command == null)throw new NullPointerException();int c = ctl.get();int num = workerCountOf(c);//第一步if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {if (addWorker(command, true))return;c = ctl.get();}//第二步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);}//第三步else if (!addWorker(command, false))reject(command);
}// firstTask 待执行的任务 core 是否要启动核心线程
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core)

第一步，判断工作线程数如果小于corePoolSize核心线程数，直接创先新的线程addWorker，并将任务作为该线程的第一个任务(firstTask)，添加成功直接返回。如果运行线程大于等于核心线程数执行第二步；
第二步，若当前线程池处于运行状态，则向阻塞队列中插入一个任务。若插入成功，则进行进行二次校验，防止一次校验通过后线程池关闭。二次校验如果线程池不是运行状态，移除任务并执行拒绝策略。如果运行状态没变，但工作线程个数是0，则新建一个非核心线程，添加个null任务，线程会去队列中获取执行任务。

若一开始判断线程池处于非运行状态或者插入队列失败（队列任务已经满了），执行第三步；
第三步，如果队列已经满了，新建一个非核心线程执行该任务，如果新建失败，可能是线程池关闭了，或者线程数量达到了maxPoolSize。

2、新建工作线程addWorker：

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {//第一步retry: //双层for循环 retry外层循环终止标识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;//CAS：workerCount +1 if (compareAndIncrementWorkerCount(c))//跳出外层循环 ，循环结束break retry;c = ctl.get();  // Re-read ctlif (runStateOf(c) != rs)//继续最外层循环continue retry;// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop}}

第一步，这一步主要是检查是否能新建工作线程，如果可以执行CAS操作，workCount加1。工作线程创建失败的主要原因是：
（1）当前线程池处于关闭状态rs >= SHUTDOWN；
（2）线程数量超过线程池设置最大值；
（3）CAS操作失败，说明其他线程也有该操作，会在循环内重试。

        //第二步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 startablethrow new IllegalThreadStateException();workers.add(w);int s = workers.size();if (s > largestPoolSize)largestPoolSize = s;workerAdded = true;}} finally {mainLock.unlock();}//workerAdded = true; if (workerAdded) {// 启动线程 t.start();workerStarted = true;}}} finally {if (! workerStarted)addWorkerFailed(w);}return workerStarted;}

第二步，经过第一步说明当前条件下可以创建工作线程，这一步主要是线程创建逻辑。中间修改变量workers和largestPoolSize 前需要加锁，设置成功后将锁放开，启动工作线程工作。

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable  {Worker(Runnable firstTask) {setState(-1); // inhibit interrupts until runWorkerthis.firstTask = firstTask;this.thread = getThreadFactory().newThread(this);}
}

Worker类，实现了Runnable接口，并持有一个线程thread，一个初始化的任务firstTask。thread是在调用构造方法时通过ThreadFactory来创建的线程，可以用来执行任务；

firstTask用它来保存传入的第一个任务，这个任务可以有也可以为null。如果这个值是非空的，那么线程就会在启动初期立即执行这个任务，也就对应核心线程创建时的情况；如果这个值是null，那么就需要创建一个线程去执行任务列表（workQueue）中的任务，也就是非核心线程的创建。

3、工作线程执行

public void run() {runWorker(this);
}final void runWorker(Worker w) {Thread wt = Thread.currentThread();Runnable task = w.firstTask;w.firstTask = null;w.unlock(); // allow interruptsboolean 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 interruptif ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||(Thread.interrupted() &&runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&!wt.isInterrupted())wt.interrupt();try {//任务执行前执行，子类可实现自己的逻辑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 {//执行任务后调用，子类可实现自己的逻辑afterExecute(task, thrown);}} finally {task = null;w.completedTasks++;w.unlock();}}completedAbruptly = false;} finally {//获取不到任务时，主动回收自己processWorkerExit(w, completedAbruptly);}
}

工作线程创建成功后，t.start()会启动线程执行任务，最终会进入到runWorker方法中，主要步骤如下：

第一步，看下当前线程创建的时候有没有自带的任务，有的话先执行自带任务，没有的话通过getTask()去阻塞队列获取，如果获取到的task为null，则执行processWorkerExit(w, completedAbruptly)回收自己。
第二步，在执行task的时候的需要加锁，如果线程池正在停止，那么要保证当前线程是中断状态，否则要保证当前线程不是中断状态。之所以要加锁是因为在工作线程回收的时候，会通过锁来判断线程是否在执行任务，如果加锁了说明在执行task则不回收。
第三步， task.run()任务执行。

private Runnable getTask() {boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?for (;;) {int c = ctl.get();int rs = runStateOf(c);// Check if queue empty only if necessary.if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {decrementWorkerCount();return null;}int wc = workerCountOf(c);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;}}
}

判断流程如下：

第一步，getTask()返回 null 说明工作线程需要被回收，如下几个情况会返回null：
（1）线程状态处于STOP，或者处于SHUTDOWN且队列中没有需要执行的task；
（2）线程最大个数maximumPoolSize中间被修改过，导致当前线程数超过maximumPoolSize或者获取任务超时，此时如果队列中没有任务或者线程数大于1，返回null；
第二步，获取timed变量值，如果核心线程设置过超时时长，或者当前线程是非核心线程，该变量会置为true，说明获取任务的时候需要加入超时判断，进行线程回收。
第三步，如果线程需要限时回收执行poll()函数，如果没设置过超时，并且是核心线程，执行take()函数。poll()在指定的超时时间内没有获取到线程的task()自动超时回收，take()会一直阻塞，直到有新的task出现。

总结，代码看多了会有点晕，前面的源码分析抽离出来大体流程图如下：
线程池任务执行流程图.png

4、工作线程回收

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {if (completedAbruptly)decrementWorkerCount();final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;mainLock.lock();try {       completedTaskCount += w.completedTasks;       workers.remove(w);} finally {mainLock.unlock();}tryTerminate();....
}

在执行processWorkerExit函数后，加锁修改completedTaskCount 及workers变量值，最后走到 tryTerminate()中，这个方法在任何可能导致线程池终止的动作后执行，比如减少wokerCount或SHUTDOWN状态下从队列中移除任务。

final void tryTerminate() {for (;;) {int c = ctl.get();if (isRunning(c) || runStateAtLeast(c, TIDYING) || (runStateOf(c) == SHUTDOWN &&           !workQueue.isEmpty()))return;if (workerCountOf(c) != 0) { // Eligible to terminateinterruptIdleWorkers(ONLY_ONE);return;}final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;mainLock.lock();try {if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {try {// 子类重载：一些资源清理工作terminated();} finally {ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));termination.signalAll();}return;}} finally {mainLock.unlock();}
// else retry on failed CAS
}

tryTerminate()主要分为以下几步：

第一步，判断当前线程池状态，如果还处于RUNNING状态，或SHUTDOWN状态但是任务队列非空，或runState >= TIDYING 线程池已经停止了或在停止了，则直接返回；
第二步，如果当前状态不属于第一步的判断，则可以将空闲的工作线程进行回收，如果工作线程个数大于0，则执行interruptIdleWorkers()。

private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;mainLock.lock();try {for (Worker w : workers) {Thread t = w.thread;if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) {try {t.interrupt();} catch (SecurityException ignore) {} finally {w.unlock();}}if (onlyOne)break;}}  finally {mainLock.unlock();}
}