Android开发中线程池源码解析

线程池（英语：thread pool）：一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用，还能防止过分调度。可用线程数量应该取决于可用的并发处理器、处理器内核、内存、网络sockets等的数量。 例如，线程数一般取cpu数量+2比较合适，线程数过多会导致额外的线程切换开销。----摘自 *

我们在Android或者Java开发中，日常所使用的就是ThreadPoolExecutor了，我们先来看下如何使用一个线程池来代替多线程开发。

使用线程池

// 创建一个核心线程数为5，最大线程数为10，空闲线程存活时间为60s的线程池对象
val threadPoolExecutor = ThreadPoolExecutor(
   5, 10, 60,
   TimeUnit.MINUTES,
   ArrayBlockingQueue<Runnable>(100),
   RejectedExecutionHandler { _, _ -> println("reject submit thread to thread pool") }
)

// 测试
for (i in 1..10) {
   threadPoolExecutor.execute { println("execute thread is:${Thread.currentThread().name}") }
}

// 结果
// execute thread is:pool-1-thread-1
// execute thread is:pool-1-thread-1
// execute thread is:pool-1-thread-1
// execute thread is:pool-1-thread-1
// execute thread is:pool-1-thread-5
// execute thread is:pool-1-thread-5
// execute thread is:pool-1-thread-4
// execute thread is:pool-1-thread-3
// execute thread is:pool-1-thread-2
// execute thread is:pool-1-thread-1

从结果就可以看出来，执行时间操作，但是只创建了5个线程，另外5次都是复用线程的。这样就达到了复用存在的线程、减少对象的创建和销毁的额外开销；并且可以控制最大线程数，也就是控制了最大并发数。

知道如何使用一个线程池还不够，我们需要看看ThreadPoolExecutor是如何创建、复用这些线程的。下面我们看看创建ThreadPoolExecutor对象的几个参数：

构造方法

/**
    * 创建一个ThreadPoolExecutor对象
    *
    * @param corePoolSize 核心线程数，这些线程会一直在线程池中，除非设置了 allowCoreThreadTimeOut
    * @param maximumPoolSize 最大线程数，运行线程创建的最大值
    * @param keepAliveTime 当线程数>核心线程数的时候，这个值就是空闲且非核心线程存活的时间
    * @param unit keepAliveTime的单位
    * @param workQueue 保存task的队列，直到执行execute()方法执行
    * @param threadFactory ThreadFactory是一个接口，里面只有Thread newThread(Runnable r)方法，用来创建线程，
    *                      默认采用Executors.defaultThreadFactory()
    * @param handler 拒绝处理任务时的策略，如果线程池满了且所有线程都不处于空闲状态，
    *                通过RejectedExecutionHandler接口的rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor)来处理传进来的Runnable
    *                系统提供了四种：CallerRunsPolicy(), AbortPolicy(), DiscardPolicy(), DiscardOldestPolicy()
    *                默认采用new AbortPolicy()
    */
   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.acc = System.getSecurityManager() == null ?
               null :
               AccessController.getContext();
       this.corePoolSize = corePoolSize;
       this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
       this.workQueue = workQueue;
       this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
       this.threadFactory = threadFactory;
       this.handler = handler;
   }

我在方法头注释中我都一一解释了几个参数的作用，还有几点需要注意的就是：

• 核心线程数不能小于0；

• 最大线程数不能小于0；

• 最大线程数不能小于核心线程数；

• 空闲线程的存活时间不能小于0；

通过上面的解释我们很明白的知道前面几个参数的作用，但是最后两个参数我们并不能通过表面的解释通晓它，既然不能通过表象看懂他俩，那就看看默认的实现是如何做的，这样在接下来的源码分析中很有帮助。

ThreadFactory：线程工厂

ThreadFactory 是一个接口，里面只由唯一的 Thread newThread(Runnable r); 方法，此方法是用来创建线程的，从接口中我们得到的就只有这么多，下面我们看看 Executors 默认的 DefaultThreadFactory 类：

// 静态内部类
static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
   // 线程池的标识，从1开始没创建一个线程池+1
   private static final AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
   // 线程组
   private final ThreadGroup group;
   // 线程名中的结尾标识，从1开始每创建一个线程+1
   private final AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
   // 线程名
   private final String namePrefix;

DefaultThreadFactory() {
       SecurityManager s = System.getSecurityManager();
       group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
                             Thread.currentThread().getThreadGroup();
       namePrefix = "pool-" +
                     poolNumber.getAndIncrement() +
                    "-thread-";
   }

public Thread newThread(Runnable r) {
       Thread t = new Thread(group, r,
                             namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
                             0);
       if (t.isDaemon())
           t.setDaemon(false);
       if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
           t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
       return t;
   }
}

RejectedExecutionHandler：拒绝处理任务的策略

RejectedExecutionHandler 也是一个接口，并且也只提供了唯一的 void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor); 方法。我们可以自定义策略，也可以用上面提到的封装好的四种策略，先看一下四种策略分别怎么拒绝任务的：

CallerRunsPolicy

public static class CallerRunsPolicy implements RejectedExecutionHandler {
   /**
    * Creates a {@code CallerRunsPolicy}.
    */
   public CallerRunsPolicy() {
   }

/**
    * 如果线程池还没关闭，那么就再次执行这个Runnable
    */
   public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
       if (!e.isShutdown()) {
           r.run();
       }
   }
}

AbortPolicy

public static class AbortPolicy implements RejectedExecutionHandler {
   /**
    * Creates an {@code AbortPolicy}.
    */
   public AbortPolicy() {
   }

/**
    * 这个策略就是抛出异常，不做其他处理
    */
   public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
       throw new RejectedExecutionException("Task " + r.toString() +
               " rejected from " +
               e.toString());
   }
}

DiscardPolicy

public static class DiscardPolicy implements RejectedExecutionHandler {
   /**
    * Creates a {@code DiscardPolicy}.
    */
   public DiscardPolicy() {
   }

/**
    * 什么也不做，也就是抛弃了这个Runnable
    */
   public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
   }
}

DiscardOldestPolicy

public static class DiscardOldestPolicy implements RejectedExecutionHandler {
   /**
    * Creates a {@code DiscardOldestPolicy} for the given executor.
    */
   public DiscardOldestPolicy() {
   }

/**
    * 1. 线程池未关闭
    * 2. 获取队列中的下一个Runnable
    * 3. 获取到了，但是不对它进行处理，也就是抛弃它
    * 4. 执行我们传过来的这个Runnable
    */
   public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) {
       if (!e.isShutdown()) {
           e.getQueue().poll();
           e.execute(r);
       }
   }
}

重要的参数

除了上述构造方法中的几个参数外，线程池还有几个比较核心的参数，如下：

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {

// ctl 的低29位表示线程池中的线程数，高3位表示当前线程状态
   private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
   // 29
   private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
   // (2^29) -1
   private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;

// 运行状态：接受新任务并处理排队的任务
   private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
   // 关闭状态：不接受新任务，但处理排队的任务
   private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
   // 停止状态：不接受新任务，不处理排队的任务，中断正在进行的任务
   private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
   // 整理状态：整理状态，所有任务已终止，workerCount为零，线程将运行terminate()方法
   private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
   // 终止状态：terminate()方法执行完成
   private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;

// 表示线程是否允许或停止
   private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
   // 线程的有效数量
   private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
   private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

......后面的源码暂时省略
}

execute：执行

public void execute(Runnable command) {
   if (command == null)
       throw new NullPointerException();
   int c = ctl.get();
   // 如果运行中的线程数小于核心线程数，执行addWorker(command, true)创建新的核心Thread执行任务
   if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
       if (addWorker(command, true))
           return;
       c = ctl.get();
   }
   // 1. 已经满足：运行中的线程数大于核心线程数，但是小于最大线程数
   // 2. 需要满足：线程池在运行状态
   // 3. 需要满足：添加到工作队列中成功
   if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
       int recheck = ctl.get();
       // 如果线程不在运行状态，就从工作队列中移除command
       // 并且执行拒绝策略
       if (!isRunning(recheck) && remove(command))
           reject(command);
       // 线程池处于运行状态，但是没有线程，则addWorker(null, false)
       // 至于这里为什么要传入一个null，因为在最外层的if条件中我们已经将Runnable添加到工作队列中了
       // 而且在runWorker()源码中也可以得到答案，如果传入的Runnable为空，就会去工作队列中取task。
       else if (workerCountOf(recheck) == 0)
           addWorker(null, false);
   }
   // 执行addWorker()创建新的非核心线程Thread执行任务
   // addWorker() 失败，执行拒绝策略
   else if (!addWorker(command, false))
       reject(command);
}

从上面源码中可以看出，execute()一个新的任务，主要有以下这几种情况：

1、核心线程未满，直接新建核心线程并执行任务；
2、核心线程满了，工作队列未满，将任务添加到工作队列中；
3、核心线程和工作队列都满，但是最大线程数未达到，新建线程并执行任务；
4、上面条件都不满足，那么就执行拒绝策略。

更形象的可以看下方流程图：

添加任务的流程图

addWorker(Runnable , boolean)：添加Worker

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
   // 标记外循环，比如在内循环中break retry就直接跳出外循环
   retry:
   for (; ; ) {
       int c = ctl.get();
       int rs = runStateOf(c);

// 直接返回false有以下3种情况：
       // 1. 线程池状态为STOP、TIDYING、TERMINATED
       // 2. 线程池状态不是running状态，并且firstTask不为空
       // 3. 线程池状态不是running状态，并且工作队列为空
       if (rs >= SHUTDOWN &&
               !(rs == SHUTDOWN && firstTask == null && !workQueue.isEmpty()))
           return false;

for (; ; ) {
           int wc = workerCountOf(c);
           // 如果添加的是核心线程，但是运行的线程数大于等于核心线程数，那么就不添加了，直接返回
           // 如果添加的是非核心线程，但是运行的线程数大于等于最大线程数，那么也不添加，直接返回
           if (wc >= CAPACITY ||
                   wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
               return false;
           // 增加workerCount的值 +1
           if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
               // 跳出外循环
               break retry;
           c = ctl.get();  // 重新检查线程池状态
           if (runStateOf(c) != rs)
               continue retry;
           // 重新检查的状态和之前不合，再次从外循环进入
       }
   }

boolean workerStarted = false;
   boolean workerAdded = false;
   Worker w = null;
   try {
       w = new Worker(firstTask);
       final Thread t = w.thread;
       if (t != null) {
           // 线程池重入锁
           final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
           // 获得锁
           mainLock.lock();
           try {
               // Recheck while holding lock.
               // Back out on ThreadFactory failure or if
               // shut down before lock acquired.
               int rs = runStateOf(ctl.get());
               // 线程池在运行状态或者是线程池关闭同时Runnable也为空
               if (rs < SHUTDOWN ||
                       (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                   if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                       throw new IllegalThreadStateException();
                   // 想Worker中添加新的Worker
                   workers.add(w);
                   int s = workers.size();
                   if (s > largestPoolSize)
                       largestPoolSize = s;
                   workerAdded = true;
               }
           } finally {
               // 释放锁
               mainLock.unlock();
           }
           // 如果添加成功，启动线程
           if (workerAdded) {
               t.start();
               workerStarted = true;
           }
       }
   } finally {
       if (!workerStarted)
           addWorkerFailed(w);
   }
   return workerStarted;
}

addWorker() 主要就是在满足种种条件（上述源码中解释了）后，新建一个Worker对象，并添加到HashSet<Worker> workers中去，最后调用新建Worker对象的Thread变量的start()方法。

Worker类

Worker是一个继承了AQS并实现了Runnable的内部类，我们重点看看它的run()方法，因为上面addWorker()中，t.start()触发的就是它的run()方法：

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;
       // 这边是把Runnable传给了Thread，也就是说Thread.run()就是执行了下面的run()方法
       this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
   }

/**
    * Delegates main run loop to outer runWorker
    */
   public void run() {
       runWorker(this);
   }
}

run()方法实际调用了runWorker(Worker)方法

runWorker(Worker)方法：

final void runWorker(Worker w) {
       Thread wt = Thread.currentThread();
       Runnable task = w.firstTask;
       w.firstTask = null;
       w.unlock(); // 释放锁，允许中断
       boolean completedAbruptly = true;
       try {
           // 1. worker中的task不为空
           // 2. 如果worker的task为空，那么取WorkerQueue的task
           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 {
                   // 这是一个空方法，可由子类实现
                   beforeExecute(wt, task);
                   Throwable thrown = null;
                   try {
                       // 执行task
                       task.run();
                   }
                   .... 省略
                   // 这是一个空方法，可由子类实现
                   finally {
                       afterExecute(task, thrown);
                   }
               } finally {
                   task = null;
                   w.completedTasks++;
                   w.unlock();
               }
           }
           completedAbruptly = false;
       } finally {
           processWorkerExit(w, completedAbruptly);
       }
   }

getTask()：

```java
private Runnable getTask() {
   // 进入死循环
   for (; ; ) {
       try {
           // 为true的条件：
           // allowCoreThreadTimeOut=true: 核心线程需根据keepAliveTime超时等待
           // 核心线程数已满
           boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
           // 如果timed为true，执行BlockQueue.poll()，这个操作在取不到task的时候会等待keepAliveTime，然后返回null
           // 如果timed为false，执行BlockQueue.take()，这个操作在队列为空的时候一直阻塞
           Runnable r = timed ?
                   workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                   workQueue.take();
           if (r != null)
               return r;
       }
   }
}
```

线程池的源码按照上述的几个方法（execute(runnable) -> addWorker(runnable,core) -> Worker -> runWorker(worker) -> getTask()）的顺序来分析，你就可以很清晰的将运作过程了解清楚，同事构造方法和几个重要的参数一定要懂，不然对于后面的源码分析很受阻碍，相信大家通过这篇文章可以加深对线程池的理解。

来源：https://blog.csdn.net/xiaopangcame/article/details/121437311