死磕 java线程系列之线程池深入解析——生命周期

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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；

（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。

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