Java线程池原理与源码详细解读，再也不怕面试问线程池了！

Runnable,Thread,Callable

// 实现Runnable接口的类将被Thread执行，表示一个基本的任务

public interface Runnable {

// run方法就是它所有的内容，就是实际执行的任务

public abstract void run();

}

//Callable同样是任务，与Runnable接口的区别在于它接收泛型，同时它执行任务后带有返回内容

public interface Callable<V> {

// 相对于run方法的带有返回值的call方法

V call() throws Exception;

}

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;

private static int runStateOf(int c) { return c & ~CAPACITY; }

private static int workerCountOf(int c) { return c & CAPACITY; }

private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

RUNNING = -1 << COUNT_BITS; //高3位为111

SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS; //高3位为000

STOP = 1 << COUNT_BITS; //高3位为001

TIDYING = 2 << COUNT_BITS; //高3位为010

TERMINATED = 3 << COUNT_BITS; //高3位为011

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) 

1、public void execute() //提交任务无返回值
2、public Future<?> submit() //任务执行完成后有返回值

public long getTaskCount() //线程池已执行与未执行的任务总数
public long getCompletedTaskCount() //已完成的任务数
public int getPoolSize() //线程池当前的线程数
public int getActiveCount() //线程池中正在执行任务的线程数量

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
/*
 * clt记录着runState和workerCount
 */
    int c = ctl.get();
/*
 * workerCountOf方法取出低29位的值，表示当前活动的线程数；
 * 如果当前活动线程数小于corePoolSize，则新建一个线程放入线程池中；
 * 并把任务添加到该线程中。
 */
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        /*
         * addWorker中的第二个参数表示限制添加线程的数量是根据corePoolSize来判断还是maximumPoolSize来判断；
         * 如果为true，根据corePoolSize来判断；
         * 如果为false，则根据maximumPoolSize来判断
         */
        if (addWorker(command, true))
            return;
/*
 * 如果添加失败，则重新获取ctl值
 */
        c = ctl.get();
    }
/*
 * 如果当前线程池是运行状态并且任务添加到队列成功
 */
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        // 重新获取ctl值
        int recheck = ctl.get();
         // 再次判断线程池的运行状态，如果不是运行状态，由于之前已经把command添加到workQueue中了，
        // 这时需要移除该command
        // 执行过后通过handler使用拒绝策略对该任务进行处理，整个方法返回
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
        /*
         * 获取线程池中的有效线程数，如果数量是0，则执行addWorker方法
         * 这里传入的参数表示：
         * 1. 第一个参数为null，表示在线程池中创建一个线程，但不去启动；
         * 2. 第二个参数为false，将线程池的有限线程数量的上限设置为maximumPoolSize，添加线程时根据maximumPoolSize来判断；
         * 如果判断workerCount大于0，则直接返回，在workQueue中新增的command会在将来的某个时刻被执行。
         */
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
/*
 * 如果执行到这里，有两种情况：
 * 1. 线程池已经不是RUNNING状态；
 * 2. 线程池是RUNNING状态，但workerCount >= corePoolSize并且workQueue已满。
 * 这时，再次调用addWorker方法，但第二个参数传入为false，将线程池的有限线程数量的上限设置为maximumPoolSize；
 * 如果失败则拒绝该任务
 */
    else if (!addWorker(command, false))
        reject(command);
}

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
    retry:
    for (;;) {
        int c = ctl.get();
    // 获取运行状态
        int rs = runStateOf(c);
    /*
     * 这个if判断
     * 如果rs >= SHUTDOWN，则表示此时不再接收新任务；
     * 接着判断以下3个条件，只要有1个不满足，则返回false：
     * 1. rs == SHUTDOWN，这时表示关闭状态，不再接受新提交的任务，但却可以继续处理阻塞队列中已保存的任务
     * 2. firsTask为空
     * 3. 阻塞队列不为空
     * 
     * 首先考虑rs == SHUTDOWN的情况
     * 这种情况下不会接受新提交的任务，所以在firstTask不为空的时候会返回false；
     * 然后，如果firstTask为空，并且workQueue也为空，则返回false，
     * 因为队列中已经没有任务了，不需要再添加线程了
     */
     // Check if queue empty only if necessary.
        if (rs >= SHUTDOWN &&
                ! (rs == SHUTDOWN &&
                        firstTask == null &&
                        ! workQueue.isEmpty()))
            return false;
        for (;;) {
            // 获取线程数
            int wc = workerCountOf(c);
            // 如果wc超过CAPACITY，也就是ctl的低29位的最大值（二进制是29个1），返回false；
            // 这里的core是addWorker方法的第二个参数，如果为true表示根据corePoolSize来比较，
            // 如果为false则根据maximumPoolSize来比较。
            // 
            if (wc >= CAPACITY ||
                    wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                return false;
            // 尝试增加workerCount，如果成功，则跳出第一个for循环
            if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                break retry;
            // 如果增加workerCount失败，则重新获取ctl的值
            c = ctl.get();  // Re-read ctl
            // 如果当前的运行状态不等于rs，说明状态已被改变，返回第一个for循环继续执行
            if (runStateOf(c) != rs)
                continue retry;
            // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
        }
    }
    boolean workerStarted = false;
    boolean workerAdded = false;
    Worker w = null;
    try {
     // 根据firstTask来创建Worker对象
        w = new Worker(firstTask);
     // 每一个Worker对象都会创建一个线程
        final Thread t = w.thread;
        if (t != null) {
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
                int rs = runStateOf(ctl.get());
                // rs < SHUTDOWN表示是RUNNING状态；
                // 如果rs是RUNNING状态或者rs是SHUTDOWN状态并且firstTask为null，向线程池中添加线程。
                // 因为在SHUTDOWN时不会在添加新的任务，但还是会执行workQueue中的任务
                if (rs < SHUTDOWN ||
                        (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                    if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                        throw new IllegalThreadStateException();
                    // workers是一个HashSet
                    workers.add(w);
                    int s = workers.size();
                    // largestPoolSize记录着线程池中出现过的最大线程数量
                    if (s > largestPoolSize)
                        largestPoolSize = s;
                    workerAdded = true;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
            if (workerAdded) {
                // 启动线程
                t.start();
                workerStarted = true;
            }
        }
    } finally {
        if (! workerStarted)
            addWorkerFailed(w);
    }
    return workerStarted;
}

protected boolean tryAcquire(int unused) {
    //cas修改state，不可重入
    if (compareAndSetState(0, 1)) { 
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        return true;
    }
    return false;
}

final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    // 获取第一个任务
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    // 允许中断
    w.unlock(); // allow interrupts
    // 是否因为异常退出循环
    boolean completedAbruptly = true;
    try {
        // 如果task为空，则通过getTask来获取任务
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            w.lock();
            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);
    }
}

private Runnable getTask() {
    // timeOut变量的值表示上次从阻塞队列中取任务时是否超时
    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.
    /*
     * 如果线程池状态rs >= SHUTDOWN，也就是非RUNNING状态，再进行以下判断：
     * 1. rs >= STOP，线程池是否正在stop；
     * 2. 阻塞队列是否为空。
     * 如果以上条件满足，则将workerCount减1并返回null。
     * 因为如果当前线程池状态的值是SHUTDOWN或以上时，不允许再向阻塞队列中添加任务。
     */
        if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
            decrementWorkerCount();
            return null;
        }
        int wc = workerCountOf(c);
        // Are workers subject to culling?
        // timed变量用于判断是否需要进行超时控制。
        // allowCoreThreadTimeOut默认是false，也就是核心线程不允许进行超时；
        // wc > corePoolSize，表示当前线程池中的线程数量大于核心线程数量；
        // 对于超过核心线程数量的这些线程，需要进行超时控制
        boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;

    /*
     * wc > maximumPoolSize的情况是因为可能在此方法执行阶段同时执行了setMaximumPoolSize方法；
     * timed && timedOut 如果为true，表示当前操作需要进行超时控制，并且上次从阻塞队列中获取任务发生了超时
     * 接下来判断，如果有效线程数量大于1，或者阻塞队列是空的，那么尝试将workerCount减1；
     * 如果减1失败，则返回重试。
     * 如果wc == 1时，也就说明当前线程是线程池中唯一的一个线程了。
     */
        if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
                && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
            if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                return null;
            continue;
        }
        try {
        /*
         * 根据timed来判断，如果为true，则通过阻塞队列的poll方法进行超时控制，如果在keepAliveTime时间内没有获取到任务，则返回null；
         * 否则通过take方法，如果这时队列为空，则take方法会阻塞直到队列不为空。
         *
         */
            Runnable r = timed ?
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take();
            if (r != null)
                return r;
            // 如果 r == null，说明已经超时，timedOut设置为true
            timedOut = true;
        } catch (InterruptedException retry) {
            // 如果获取任务时当前线程发生了中断，则设置timedOut为false并返回循环重试
            timedOut = false;
        }
    }
}

private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
    // 如果completedAbruptly值为true，则说明线程执行时出现了异常，需要将workerCount减1；
    // 如果线程执行时没有出现异常，说明在getTask()方法中已经已经对workerCount进行了减1操作，这里就不必再减了。  
    if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted
        decrementWorkerCount();
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        //统计完成的任务数
        completedTaskCount += w.completedTasks;
        // 从workers中移除，也就表示着从线程池中移除了一个工作线程
        workers.remove(w);
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
    // 根据线程池状态进行判断是否结束线程池
    tryTerminate();
    int c = ctl.get();
/*
 * 当线程池是RUNNING或SHUTDOWN状态时，如果worker是异常结束，那么会直接addWorker；
 * 如果allowCoreThreadTimeOut=true，并且等待队列有任务，至少保留一个worker；
 * 如果allowCoreThreadTimeOut=false，workerCount不少于corePoolSize。
 */
    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);
    }
}