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    注:java源码分析部分如无特殊说明均基于 java8 版本。

    注:线程池源码部分如无特殊说明均指ThreadPoolExecutor类。

    简介

    上一章我们一起重温了下线程的生命周期(六种状态还记得不?),但是你知不知道其实线程池也是有生命周期的呢?!

    问题

    (1)线程池的状态有哪些?

    (2)各种状态下对于任务队列中的任务有何影响?

    先上源码

    其实,在我们讲线程池体系结构的时候,讲了一些方法,比如shutDown()/shutDownNow(),它们都是与线程池的生命周期相关联的。

    我们先来看一下线程池ThreadPoolExecutor中定义的生命周期中的状态及相关方法:

    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3; // =29
    private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1; // =000 11111...
    
    // runState is stored in the high-order bits
    private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS; // 111 00000...
    private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS; // 000 00000...
    private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS; // 001 00000...
    private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS; // 010 00000...
    private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS; // 011 00000...
    
    // 线程池的状态
    private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
    // 线程池中工作线程的数量
    private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
    // 计算ctl的值,等于运行状态“加上”线程数量
    private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

    从上面这段代码,我们可以得出:

    (1)线程池的状态和工作线程的数量共同保存在控制变量ctl中,类似于AQS中的state变量,不过这里是直接使用的AtomicInteger,这里换成unsafe+volatile也是可以的;

    (2)ctl的高三位保存运行状态,低29位保存工作线程的数量,也就是说线程的数量最多只能有(2^29-1)个,也就是上面的CAPACITY;

    (3)线程池的状态一共有五种,分别是RUNNING、SHUTDOWN、STOP、TIDYING、TERMINATED;

    (4)RUNNING,表示可接受新任务,且可执行队列中的任务;

    (5)SHUTDOWN,表示不接受新任务,但可执行队列中的任务;

    (6)STOP,表示不接受新任务,且不再执行队列中的任务,且中断正在执行的任务;

    (7)TIDYING,所有任务已经中止,且工作线程数量为0,最后变迁到这个状态的线程将要执行terminated()钩子方法,只会有一个线程执行这个方法;

    (8)TERMINATED,中止状态,已经执行完terminated()钩子方法;

    流程图

    下面我们再来看看这些状态之间是怎么流转的:

    (1)新建线程池时,它的初始状态为RUNNING,这个在上面定义ctl的时候可以看到;

    (2)RUNNING->SHUTDOWN,执行shutdown()方法时;

    (3)RUNNING->STOP,执行shutdownNow()方法时;

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    (4)SHUTDOWN->STOP,执行shutdownNow()方法时【本文由公从号“彤哥读源码”原创】;

    (5)STOP->TIDYING,执行了shutdown()或者shutdownNow()后,所有任务已中止,且工作线程数量为0时,此时会执行terminated()方法;

    (6)TIDYING->TERMINATED,执行完terminated()方法后;

    源码分析

    你以为贴个状态的源码,画个图就结束了嘛?那肯定不能啊,下面让我们一起来看看源码中是怎么控制的。

    (1)RUNNING

    RUNNING,比较简单,创建线程池的时候就会初始化ctl,而ctl初始化为RUNNING状态,所以线程池的初始状态就为RUNNING状态。

    // 初始状态为RUNNING
    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

    (2)SHUTDOWN

    执行shutdown()方法时把状态修改为SHUTDOWN,这里肯定会成功,因为advanceRunState()方法中是个自旋,不成功不会退出。

    public void shutdown() {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            checkShutdownAccess();
            // 修改状态为SHUTDOWN
            advanceRunState(SHUTDOWN);
            // 标记空闲线程为中断状态
            interruptIdleWorkers();
            onShutdown();
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        tryTerminate();
    }
    private void advanceRunState(int targetState) {
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            // 如果状态大于SHUTDOWN,或者修改为SHUTDOWN成功了,才会break跳出自旋
            if (runStateAtLeast(c, targetState) ||
                ctl.compareAndSet(c, ctlOf(targetState, workerCountOf(c))))
                break;
        }
    }

    (3)STOP

    执行shutdownNow()方法时,会把线程池状态修改为STOP状态,同时标记所有线程为中断状态。

    public List<Runnable> shutdownNow() {
        List<Runnable> tasks;
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            checkShutdownAccess();
            // 修改为STOP状态
            advanceRunState(STOP);
            // 标记所有线程为中断状态
            interruptWorkers();
            tasks = drainQueue();
        } finally {
            // 【本文由公从号“彤哥读源码”原创】
            mainLock.unlock();
        }
        tryTerminate();
        return tasks;
    }

    至于线程是否响应中断其实是在队列的take()或poll()方法中响应的,最后会到AQS中,它们检测到线程中断了会抛出一个InterruptedException异常,然后getTask()中捕获这个异常,并且在下一次的自旋时退出当前线程并减少工作线程的数量。

    private Runnable getTask() {
        boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
    
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            int rs = runStateOf(c);
    
            // 如果状态为STOP了,这里会直接退出循环,且减少工作线程数量
            // 退出循环了也就相当于这个线程的生命周期结束了
            if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
                decrementWorkerCount();
                return null;
            }
    
            int wc = workerCountOf(c);
    
            // Are workers subject to culling?
            boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
    
            if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
                && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
                if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                    return null;
                continue;
            }
    
            try {
                // 真正响应中断是在poll()方法或者take()方法中
                Runnable r = timed ?
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take();
                if (r != null)
                    return r;
                timedOut = true;
            } catch (InterruptedException retry) {
                // 这里捕获中断异常
                timedOut = false;
            }
        }
    }

    这里有一个问题,就是已经通过getTask()取出来且返回的任务怎么办?

    实际上它们会正常执行完毕,有兴趣的同学可以自己看看runWorker()这个方法,我们下一节会分析这个方法。

    (4)TIDYING

    当执行shutdown()或shutdownNow()之后,如果所有任务已中止,且工作线程数量为0,就会进入这个状态。

    final void tryTerminate() {
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            // 下面几种情况不会执行后续代码
            // 1. 运行中
            // 2. 状态的值比TIDYING还大,也就是TERMINATED
            // 3. SHUTDOWN状态且任务队列不为空
            if (isRunning(c) ||
                runStateAtLeast(c, TIDYING) ||
                (runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty()))
                return;
            // 工作线程数量不为0,也不会执行后续代码
            if (workerCountOf(c) != 0) {
                // 尝试中断空闲的线程
                interruptIdleWorkers(ONLY_ONE);
                return;
            }
    
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
                // CAS修改状态为TIDYING状态
                if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {
                    try {
                        // 更新成功,执行terminated钩子方法
                        terminated();
                    } finally {
                        // 强制更新状态为TERMINATED,这里不需要CAS了
                        ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0));
                        termination.signalAll();
                    }
                    return;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
            // else retry on failed CAS
        }
    }

    实际更新状态为TIDYING和TERMINATED状态的代码都在tryTerminate()方法中,实际上tryTerminated()方法在很多地方都有调用,比如shutdown()、shutdownNow()、线程退出时,所以说几乎每个线程最后消亡的时候都会调用tryTerminate()方法,但最后只会有一个线程真正执行到修改状态为TIDYING的地方。

    修改状态为TIDYING后执行terminated()方法,最后修改状态为TERMINATED,标志着线程池真正消亡了。

    (5)TERMINATED

    见TIDYING中分析。

    彩蛋

    本章我们一起从状态定义、流程图、源码分析等多个角度一起学习了线程池的生命周期,你掌握的怎么样呢?

    下一章我们将开始学习线程池执行任务的主流程,对这一块内容感到恐惧的同学可以先看看彤哥之前写的“手写线程池”的两篇文章,对接下来学习线程池的主要流程非常有好处。

    欢迎关注我的公众号“彤哥读源码”,查看更多源码系列文章, 与彤哥一起畅游源码的海洋。

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