ThreadPoolExecutor 源码分析

理解 ThreadPoolExecutor 的源码是掌握 Java 线程池工作原理的关键。以下是其核心源码逻辑的深入分析，结合设计思想和关键代码片段。

---

一、核心设计思想

1. 状态与线程数合并存储
   使用 AtomicInteger 类型的 ctl 变量，高 3 位存储线程池状态，低 29 位存储工作线程数（workerCount），通过位运算高效管理。

   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; // 最大线程数 (2^29-1)
   
   // 状态定义（高3位）
   private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS; // 111
   private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS; // 000
   private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS; // 001
   private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS; // 010
   private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS; // 011
   
   // 获取状态和线程数
   private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }
   private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }
   

2. 任务队列与工作线程解耦

   • 任务队列 (workQueue)：存储待执行的 Runnable 任务，实现生产者-消费者模式。
   • 工作线程 (Worker)：封装 Thread 和任务执行逻辑，通过 AQS 实现简单锁。

---

二、核心源码分析

1. 任务提交：execute() 方法

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null) throw new NullPointerException();
    int c = ctl.get();
    
    // 1. 当前线程数 < corePoolSize，创建新线程（核心线程）
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true)) // true表示使用corePoolSize限制
            return;
        c = ctl.get(); // 创建失败后重新获取状态
    }
    
    // 2. 任务入队（线程池处于RUNNING状态）
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        int recheck = ctl.get();
        // 双重检查：若线程池已关闭，则回滚任务并拒绝
        if (!isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
        // 若线程数为0（如corePoolSize=0），则创建非核心线程
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    // 3. 队列已满，尝试创建非核心线程（不超过maximumPoolSize）
    else if (!addWorker(command, false))
        reject(command); // 触发拒绝策略
}

2. 工作线程管理：Worker 类

private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable {
    final Thread thread; // 实际执行任务的线程
    Runnable firstTask;  // 初始任务（可能为null）

    Worker(Runnable firstTask) {
        setState(-1); // 防止线程未启动时被中断
        this.firstTask = firstTask;
        this.thread = getThreadFactory().newThread(this); // 通过ThreadFactory创建线程
    }

    public void run() {
        runWorker(this); // 核心执行逻辑
    }

    // ... 其他方法（如锁操作）
}

final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    w.unlock(); // 允许中断
    boolean completedAbruptly = true;
    try {
        // 循环从队列中获取任务（getTask()方法）
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            w.lock();
            // 检查线程池状态，若处于STOP则中断线程
            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                 (Thread.interrupted() && runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                !wt.isInterrupted())
                wt.interrupt();
            try {
                beforeExecute(wt, task); // 钩子方法（子类可扩展）
                try {
                    task.run(); // 执行任务
                    afterExecute(task, null); // 钩子方法
                } catch (Throwable ex) {
                    afterExecute(task, ex); // 处理异常
                    throw ex;
                }
            } finally {
                task = null;
                w.completedTasks++;
                w.unlock();
            }
        }
        completedAbruptly = false;
    } finally {
        processWorkerExit(w, completedAbruptly); // 线程退出处理（回收或替换）
    }
}

3. 任务获取：getTask() 方法

private Runnable getTask() {
    boolean timedOut = false;
    for (;;) {
        int c = ctl.get();
        int rs = runStateOf(c);

        // 1. 线程池已关闭且队列为空，返回null（线程退出）
        if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
            decrementWorkerCount();
            return null;
        }

        int wc = workerCountOf(c);
        // 2. 判断是否允许超时回收线程：
        //    - 允许核心线程超时（allowCoreThreadTimeOut为true）
        //    - 当前线程数超过corePoolSize
        boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;

        // 3. 线程数超过maximumPoolSize或需要回收线程时，减少线程数
        if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
            && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
            if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
                return null;
            continue;
        }

        try {
            // 4. 从队列中获取任务（支持超时）
            Runnable r = timed ?
                workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                workQueue.take();
            if (r != null)
                return r;
            timedOut = true; // 超时标记
        } catch (InterruptedException retry) {
            timedOut = false;
        }
    }
}

---

三、关键机制解析

1. 线程池状态转换

• RUNNING → SHUTDOWN：调用 shutdown()，停止接受新任务，继续处理队列任务。
• RUNNING/SHUTDOWN → STOP：调用 shutdownNow()，中断所有线程并清空队列。
• SHUTDOWN/STOP → TIDYING：当所有线程终止且队列为空时自动转换。
• TIDYING → TERMINATED：调用 terminated() 钩子方法后完成终止。

2. 线程回收逻辑

• 核心线程：默认不回收（allowCoreThreadTimeOut=false），除非显式设置允许。
• 非核心线程：空闲超过 keepAliveTime 后被回收。

3. 拒绝策略触发条件

• 线程池非RUNNING状态。
• 队列已满且线程数达到 maximumPoolSize。

---

四、设计精髓总结

1. 状态压缩与原子操作：通过 ctl 变量高效管理状态和线程数，减少锁竞争。
2. Worker与AQS：利用 AQS 实现简单锁，控制任务执行期间的中断。
3. 任务获取策略：getTask() 方法通过 poll/take 实现灵活的任务获取和超时控制。
4. 动态参数调整：支持运行时修改 corePoolSize 和 maximumPoolSize（通过 setCorePoolSize() 等方法）。

---

五、使用注意事项

1. 合理配置参数：根据任务类型（CPU密集型 vs IO密集型）调整 corePoolSize 和队列类型。
2. 避免任务堆积：使用有界队列防止内存溢出，并设置合理的拒绝策略。
3. 异常处理：通过 afterExecute() 或 UncaughtExceptionHandler 捕获任务异常，避免线程泄漏。