本篇内容介绍了“如何理解线程池的状态和工作线程数量”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！
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Java提供了几种便捷的方法创建线程池，通过这些内置的api就能够很轻松的创建线程池。在java.util.concurrent包中的Executors类，其中的静态方法就是用来创建线程池的：
newFixedThreadPool()：创建一个固定线程数量的线程池，而且线程池中的任务全部执行完成后，空闲的线程也不会被关闭。
newSingleThreadExecutor()：创建一个只有一个线程的线程池，空闲时也不会被关闭。
newCachedThreadPool()：创建一个可缓存的线程池，线程的数量为Integer.MAX_VALUE，空闲线程会临时缓存下来，线程会等待60s还是没有任务加入的话就会被关闭。
Executors类中还有一些创建线程池的方法（jdk8新加的），但是现在这个触极到我的知识盲区了~~
上面那几个方法，其实都是创建了一个ThreadPoolExecutor对象作为返回值，要搞清楚线程池的原理主要还是要分析ThreadPoolExecutor这个类。
ThreadPoolExecutor的构造方法：
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
...
}
ThreadPoolExecutor的构造方法包含以下几个参数：
corePoolSize： 核心线程数量，常驻线程池中的线程，即时线程池中没有任务可执行，也不会被关闭。
maximumPoolSize：最大线程数量
keepAliveTime：空闲线程存活时间
unit： 空闲线程存活时间的单位
workQueue：工作队列，线程池一下忙不过来，那新来的任务就需要排队，排除中的任务就会放在workQueue中
threadFactory：线程工厂，创建线程用的
handler：RejectedExecutionHandler实例用于在线程池中没有空闲线程能够执行任务，并且workQueue中也容不下任务时拒绝任务时的策略。
ThreadPoolExecutor中的线程统称为工作线程，但有一个小概念是核心线程，核心线程由参数corePoolSize指定，如corePoolSize设置5，那线程池中就会有5条线程常驻线程池中，不会被回收掉，但是也会有例外，如果allowCoreThreadTimeOut为true空闲一段时间后，也会被关闭。
线程的状态和工作线程数量
线程中的状态和工作线程和数量都是由ctl表示，是一个AtomicInteger类型的属性：
private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
ctl的高四位为线程的状态，其他位数为工作线程的数量，所以线程中最大的工作线程数量为(2^29)-1。
线程池中的状态有五种：
RUNNING：接收新的任务和处理队列中的任务
SHUTDOWN：不能新增任务，但是会继续处理已经添加的任务
STOP：不能新增任务，不会继续处理已经添加任务
TIDYING：所有的任务已经被终止，工作线程为0
TERMINATED：terminated()方法执行完成
状态码的定义如下：
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 bits
private 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;
创建线程池
如果有面试官问：如何正确的创建线程池？千万不要说使用Executors创建线程，虽然Executors能很方便的创建线程池，但是他提供的静态创建方法会有一些坑。
主要的原因是：maximumPoolSize和workQueue这两个参数
Executors静态方法在创建线程池时，如果maximumPoolSize设置为Integer.MAX_VALUE，这样会导致线程池可以一直要以接收运行任务，可能导致cpu负载过高。
workQueue是一个阻塞队列的实例，用于放置正在等待执行的任务。如果在创建线程种时workQueue实例没有指定任务的容量，那么等待队列中可以一直添加任务，极有可能导致oom。
所以创建线程，最好是根据线程池的用途，然后自己创建线程。
添加任务
调用线程池的execute并不是立即执行任务，线程池内部用经过一顿操作，如：判断核心线程数、是否需要添加到等待队列中。
下来的代码是execute的源码，代码很简洁只有2个if语句：
public void execute(Runnable command) {
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
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);
}
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}第一个if，如果当前线程池中的工作线程数量小于corePoolSize，直接创建一个工作线程执行任务
第二个if，当线程池处于运行状态，调用workQueue.offer(command)方法将任务添加到workQueue，否则调用addWorker(command, false)尝试去添加一个工作线程。
整理了一张图，把线程池分为三部分Core Worker、Worker、workQueue：
换一种说法，在调用execute方法时，任务首先会放在Core Worker内，然后才是workQueue，最后才会考虑Worker。
这样做的原因可以保证Core Worker中的任务执行完成后，能立即从workQueue获取下一个任务，而不需要启动别的工作线程，用最少的工作线程办更多的事。
创建工作线程
在execute方法中，有三个地方调用了addWorker。addWorker方法可以分为二部分：
增加工作线程数量
启动工作线程
addWorker的方法签名如下：
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core)
增加工作线程数量
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
....
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}上面代码省略了一部分代码，主要代码都在for循环中，利用CAS锁，安全的完成线程池状态的检查与增加工作线程的数量。其中的compareAndIncrementWorkerCount(c)调用就是将工作线程数量+1。
启动工作线程
增加工作线程的数量后，紧接着就会启动工作线程：
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 startable
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}启动工作线程的流程：
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
就不说Worker类的实现了，直接给出构造方法来细品：
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}注意：：当线程池处于SHUTDOWN状态时，它不能接收新的任务，但是可以继续执行未完成的任务。任务是否从workQueue中获取，是根据firstTask判断，每个Worker实例都有一个firstTask 属性，如果这个值为null，工作线程启动的时候就会从workQueue中获取任务，否则会执行firstTask 。
调用线程的start方法，启动线程。
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}执行任务
回过头来看一个Worker类的定义：
private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable{
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
...
}Worker类实现了Runnable接口，同时在构造方法中会将this传递给线程，到这里你就知道了Worker实例中有run方法，它会在线程启动后执行：
public void run() {
runWorker(this);
}run方法内部接着调用runWorker方法运行任务，在这里才是真正的开始运行任务了：
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
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 (RuntimeException x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Error x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Throwable x) {
thrown = x; throw new Error(x);
} finally {
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}首先将firstTask传递给task临时变量：
Runnable task = w.firstTask;
然后循环检查task或者从workQueue中获取任务：
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
...
}getTask()稍后再做分析。
去掉一些状态检查、异常捕获、和勾子方法调用后，保留最重要的调用task.run()：
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
...
task.run();
...
}task其实就是通过调用execute方法传递进来的Runnable实例，也就是你的任务。只不过它可能保存在Worker.firstTask中，或者在workQueue中，保存在哪里在前面的任务添加顺序中已经说明。
从workQueue中获取任务
试想一下如果每个任务执行完成，就关闭掉一个线程那有多浪费资源，这样使用线程池也没有多大的意义。所以线程的主要的功能就是线程复用，一旦任务执行完成直接去获取下一个任务，或者挂起线程等待下一个提交的任务，然后等待一段时间后还是没有任务提交，然后才考虑是否关闭部分空闲的线程。
runWorker中会循环的获取任务：
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
...
task.run();
...
}上面的代码getTask()就是从workQueue中获取任务：
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (;;) {
...
int wc = workerCountOf(c);
// Are workers subject to culling?
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
...
try {
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}获取任务的时候会有两种方式：
超时等待获取任务
一直等待任务，直到有新任务
如果allowCoreThreadTimeOut为true，corePoolSize指定的核心线程数量会被忽略，直接使用 workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) 获取任务，否则的话会根据当前工作线程的数量，如果wc > corePoolSize为false则当前会被认为是核心线程，调用workQueue.take()一直等待任务。
工作线程的关闭
还是在runWorker方法中：
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
try {
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
task.run();
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}上面代码是简洁后的代码，一个while循环保证不间断的获取任务，没有任务可以执行（task为null）退出循环，最后再才会调用processWorkerExit方法：
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);
}
}processWorkerExit接收一个Worker实例与completedAbruptly变量。processWorkerExit的大致工作流程：
判断当前工作线程是否异常完成，如果是直接减少工作线程的数量，简单的说就是校正一下工作线程的数量。
增加完成的任务数量，将Worker从workers中移除
tryTerminate() 检查线程池状态，因为线程池可以延迟关闭，如果你调用shutdown方法后不会立即关闭，要等待所有的任务执行完成，所以这里调用tryTerminate()方法，尝试去调用terminated方法。
工作线程完成策略
如果某个工作线程完成，线程池内部会判断是否需要重新启动一个：
//判断线程池状态
if (runStateLessThan(c, STOP)) {
if (!completedAbruptly) {
//获取最小工作线程数量
int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
//如果最小工作线程数量为0，但是workQueue中还有任务，那重置最小工作线程数量1
if (min == 0 && ! workQueue.isEmpty())
min = 1;
//如果当前工作线程数数量大于或等于最小工作线程数量，则不需要启动新的工作线程
if (workerCountOf(c) >= min)
return; // replacement not needed
}
//启动一个新的工作线程
addWorker(null, false);
}工作线程完成后有两种处理策略：
对于异常完成的工作线程，直接启动一个新的替换
对于正常完成的工作线程，判断当前工作线程是否足够，如果足够则不需要新启动工作线程
注意：这里的完成，表示工作线程的任务执行完成，workQueue中也没有任务可以获取了。
线程池的关闭
关闭线程池有可以通过shutdown方法：
public void shutdown() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
advanceRunState(SHUTDOWN);
interruptIdleWorkers();
onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
}shutdown方法，第一步就是先改变线程池的状态，调用advanceRunState(SHUTDOWN)方法，将线程池当前状态更改为SHUTDOWN，advanceRunState代码如下：
private void advanceRunState(int targetState) {
for (;;) {
int c = ctl.get();
if (runStateAtLeast(c, targetState) ||
ctl.compareAndSet(c, ctlOf(targetState, workerCountOf(c))))
break;
}
}然后立即调用interruptIdleWorkers()方法，interruptIdleWorkers()内部会调用它的重载方法interruptIdleWorkers(boolean onlyOne)同时onlyOne参数传递的false来关闭空闲的线程：
private void interruptIdleWorkers() {
interruptIdleWorkers(false);
}
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();
}
}以上代码会遍历workers中的Worker实例，然后调用线程的interrupt()方法。
什么样的线程才是空闲工作线程？
前面提到过在getTask()中，线程从workQueue中获取任务时会阻塞，被阻塞的线程就是空闲的。
再次回到getTask()的代码中：
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (;;) {
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
...
int wc = workerCountOf(c);
// Are workers subject to culling?
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
...
try {
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}再次分析getTask()中的代码中有一段捕获InterruptedException的代码块，interruptIdleWorkers方法中断线程后，getTask()会捕获中断异常，因为外面是一个for循环，随后代码走到判断线程池状态的地方：
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}上面的代码的会判断当前线程池状态，如果状态大于STOP或者状态等于SHUTDOWN并且workQueue为空时则返回null，getTask()返回空那么在runWorker中循环就会退出，当前工作线程的任务就完成了，可以退出了：
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
try {
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
task.run();
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}shutdownNow
除了shutdown方法能关闭线程池，还有shutdownNow也可以关闭线程池。它两的区别在于:
public List shutdownNow() {
List tasks;
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
advanceRunState(STOP);
interruptWorkers();
tasks = drainQueue();
} finally {
mainLock.unlock();
}
tryTerminate();
return tasks;
}
上面代码基本流程：
任务是中止执行还是继续执行？
调用shutdownNow()后线程池处于STOP状态，紧接着所有的工作线程都会被调用interrupt方法，如果此时runWorker还在运行会发生什么？
在runWorker有一段代码，就是工作线程中止的重要代码：
final void runWorker(Worker w) {
...
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
task.run();
}
...
}重点关注：
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
这个if看起来有点难理解，理解下来大致意思是：如果线程池状态大于等于STOP，立即中断线程，否则清除线程的中断标记，也就是说当线程池状态为RUNNING和SHUTDOWN时，线程的中断标记会被清除（线程的中断代码在interruptWorkers方法中），可以继续执行任务。
以上代码执行完成后，紧接着就会调用task.run()方法，这里面我们自己就可以根据线程的中断标记来判断任务是否被中断。
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