JavaのThreadPoolExecutor原理の詳細な分析（コード付き）

この記事は主にJavaのThreadPoolExecutorの原理分析に関する関連情報を紹介します。必要な方は

JavaのThreadPoolExecutorの原理分析を参照してください

スレッドプール概要

Javaのスレッドプールはよく使われます。開発ツールでは、処理する非同期タスクや並列タスクがある場合、スレッド プールをよく使用します。また、サーバーを実装する場合、接続処理 リクエストを受信するためにスレッド プールを使用する必要もあります。

スレッドプールは、java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor
にある

JDKで提供されるスレッドプール実装を使用します。使用する場合は、通常、ExecutorServiceインターフェイスが使用され、submit、invokeAll、shutdownなどの一般的なメソッドが提供されます。

スレッド プールの構成に関して、Executors クラスは、newFixedThreadPool、newCachedThreadPool、newSingleThreadExecutor など、いくつかの一般的なシナリオにスレッド プールを提供できるいくつかの static メソッドを提供します。これらのメソッドは、最終的に ThreadPoolExecutor に呼び出されます。 コンストラクター。すべてのパラメータを含む

ThreadPoolExecutor のコンストラクタは

/**
   * @param corePoolSize the number of threads to keep in the pool, even
   *    if they are idle, unless {@code allowCoreThreadTimeOut} is set
   * @param maximumPoolSize the maximum number of threads to allow in the
   *    pool
   * @param keepAliveTime when the number of threads is greater than
   *    the core, this is the maximum time that excess idle threads
   *    will wait for new tasks before terminating.
   * @param unit the time unit for the {@code keepAliveTime} argument
   * @param workQueue the queue to use for holding tasks before they are
   *    executed. This queue will hold only the {@code Runnable}
   *    tasks submitted by the {@code execute} method.
   * @param threadFactory the factory to use when the executor
   *    creates a new thread
   * @param handler the handler to use when execution is blocked
   *    because the thread bounds and queue capacities are reached
  public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
               int maximumPoolSize,
               long keepAliveTime,
               TimeUnit unit,
               BlockingQueue<Runnable> workQueue,
               ThreadFactory threadFactory,
               RejectedExecutionHandler handler) {
    if (corePoolSize < 0 ||
      maximumPoolSize <= 0 ||
      maximumPoolSize < corePoolSize ||
      keepAliveTime < 0)
      throw new IllegalArgumentException();
    if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
      throw new NullPointerException();
    this.corePoolSize = corePoolSize;
    this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
    this.workQueue = workQueue;
    this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
    this.threadFactory = threadFactory;
    this.handler = handler;
  }

です。

• corePoolSize は、新しいタスクを追加するときに、スレッド プール内のスレッド数が corePoolSize よりも少ない場合、スレッド プールが存在するかどうかに関係なく、スレッド プール内のコア スレッドの数を設定します。現在アイドル状態のスレッドの場合、タスクを実行するための新しいスレッドが作成されます。

• maximunPoolSize は、スレッド プールで許可される最大スレッド数です

• workQueue は、キューに入れられたタスクを保存するために使用されます

• keepAliveTime は、corePoolSize を超えるスレッドのアイドル タイムアウト時間です

• handler は、次の目的で使用されますタスクの実行、スレッド プールが閉じられているときのタスク処理、スレッド プールのスレッド増加戦略は、現在のスレッド数が corePoolSize 未満の場合、addthreads、スレッド数 = corePoolSize および corePoolSize の場合、それです。 workQueue が新しいタスクを保存できない場合にのみ作成されます。 新しいスレッド、余分なスレッドは、アイドル状態の keepAliveTime の後に破棄されます。
  

実装 (JDK1.8に基づく)

ThreadPoolExecutorに保存されるステータスには、RUNNING、SHUTDOWN、STOP、TIDYING、TERMINATEDを含む

現在のスレッドプールステータスが含まれます。

現在実行中のスレッドの有効な数。

これら 2 つのステータスを int 変数に入れます。最初の 3 桁はスレッド プールのステータス、最後の 29 桁はスレッドの数です。

たとえば、0b11100000000000000000000000000001 は、RUNNING、つまりスレッドを表します。

HashSetを介してワーカーセットを保存します。HashSetにアクセスする前に、まず保護ステータスmainLock:ReentrantLockを取得する必要があります

submit、execute

は、最初に現在のワーカー数を確認して実行されます。 corePoolSize よりも大きい場合は、コア ワーカーを追加してみてください。スレッド プールは、スレッド数の維持とステータスのチェックに関して多くのテストを実行します。

public void execute(Runnable command) {
    int c = ctl.get();
    // 如果当期数量小于corePoolSize
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
      // 尝试增加worker
      if (addWorker(command, true))
        return;
      c = ctl.get();
    }
    // 如果线程池正在运行并且成功添加到工作队列中
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
      // 再次检查状态，如果已经关闭则执行拒绝处理
      int recheck = ctl.get();
      if (! isRunning(recheck) && remove(command))
        reject(command);
      // 如果工作线程都down了
      else if (workerCountOf(recheck) == 0)
        addWorker(null, false);
    }
    else if (!addWorker(command, false))
      reject(command);
  }

addWorkerメソッドの実装

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
    retry:
    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;
        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
      }
    }
    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) {
          // 如果添加成功，则启动该线程，执行Worker的run方法，Worker的run方法执行外部的runWorker(Worker)
          t.start();
          workerStarted = true;
        }
      }
    } finally {
      if (! workerStarted)
        addWorkerFailed(w);
    }
    return workerStarted;
  }

WorkerクラスはAbstractQueuedSynchronizerを継承して同期待ちの機能を取得します。

private final class Worker
    extends AbstractQueuedSynchronizer
    implements Runnable
  {
    /**
     * This class will never be serialized, but we provide a
     * serialVersionUID to suppress a javac warning.
     */
    private static final long serialVersionUID = 6138294804551838833L;
    /** Thread this worker is running in. Null if factory fails. */
    final Thread thread;
    /** Initial task to run. Possibly null. */
    Runnable firstTask;
    /** Per-thread task counter */
    volatile long completedTasks;
    /**
     * Creates with given first task and thread from ThreadFactory.
     * @param firstTask the first task (null if none)
     */
    Worker(Runnable firstTask) {
      setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
      this.firstTask = firstTask;
      this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
    }
    /** Delegates main run loop to outer runWorker */
    public void run() {
      runWorker(this);
    }
    // Lock methods
    //
    // The value 0 represents the unlocked state.
    // The value 1 represents the locked state.
    protected boolean isHeldExclusively() {
      return getState() != 0;
    }
    protected boolean tryAcquire(int unused) {
      if (compareAndSetState(0, 1)) {
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        return true;
      }
      return false;
    }
    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) {
        }
      }
    }

runWorker(Worker)は、ワークキューからタスクを継続的に取得して実行するWorkerのポーリング実行ロジックです。タスクの実行中にワーカーが中断されないように、各タスクを実行する前にワーカーをロックする必要があります。

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);
    }
  }

ThreadPoolExecutor の submit メソッドでは、Callable が FutureTask にパッケージ化されてから、execute メソッドに渡されます。

FutureTask

FutureTaskはRunnableとFutureから継承しています。FutureTaskで定義されているいくつかの状態は
NEW、まだ実行されていません
COMPLETING、実行中
NORMAL、通常の実行が完了し結果が得られます
EXCEPTIONAL、実行例外をスローします。
CANCELLED、実行がキャンセルされました
INTERRUPTING、実行が中断されています
INTERRUPTED、中断されました。

key getメソッド

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    int s = state;
    if (s <= COMPLETING)
      s = awaitDone(false, 0L);
    return report(s);
  }

は、まず現在のステータスを取得し、実行が完了しておらず正常であれば、結果待ち処理に入ります。 awaitDone を継続的にループして現在のステータスを取得します。結果がない場合は、CAS を通じて自分自身を待機リストの先頭に追加します。タイムアウトが設定されている場合は、指定された時間の間、LockSupport.parkNanos が使用されます。

static final class WaitNode {
    volatile Thread thread;
    volatile WaitNode next;
    WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
  }
private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException {
    final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
    WaitNode q = null;
    boolean queued = false;
    for (;;) {
      if (Thread.interrupted()) {
        removeWaiter(q);
        throw new InterruptedException();
      }
      int s = state;
      if (s > COMPLETING) {
        if (q != null)
          q.thread = null;
        return s;
      }
      else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
        Thread.yield();
      else if (q == null)
        q = new WaitNode();
      else if (!queued)
        queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                           q.next = waiters, q);
      else if (timed) {
        nanos = deadline - System.nanoTime();
        if (nanos <= 0L) {
          removeWaiter(q);
          return state;
        }
        LockSupport.parkNanos(this, nanos);
      }
      else
        LockSupport.park(this);
    }
  }

FutureTask の run メソッドは、タスクを実行し、結果の位置を設定します。まず、現在の状態が NEW であるかどうかを判断し、現在のスレッドを実行スレッドとして設定します。次に、Callable の呼び出しを呼び出して結果を取得し、設定します。その結果を使用して FutureTask の状態を変更します。 りー

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