Java 线程池中的线程复用是如何实现的

前几天，技术群里有个群友问了一个关于线程池的问题，内容如图所示：

 

关于线程池相关知识可以先看下这篇：为什么阿里巴巴Java开发手册中强制要求线程池不允许使用Executors创建？

那么就来和大家探讨下这个问题，在线程池中，线程会从 workQueue 中读取任务来执行，最小的执行单位就是 Worker，Worker 实现了 Runnable 接口，重写了 run 方法，这个 run 方法是让每个线程去执行一个循环，在这个循环代码中，去判断是否有任务待执行，若有则直接去执行这个任务，因此线程数不会增加。

如下是线程池创建线程的整体流程图：

 

首先会判断线程池的状态，也就是是否在运行，若线程为非运行状态，则会拒绝。接下来会判断线程数是否小于核心线程数，若小于核心线程数，会新建工作线程并执行任务，随着任务的增多，线程数会慢慢增加至核心线程数，如果此时还有任务提交，就会判断阻塞队列 workQueue 是否已满，若没满，则会将任务放入到阻塞队列中，等待工作线程获得并执行，如果任务提交非常多，使得阻塞队达到上限，会去判断线程数是否小于最大线程数 maximumPoolSize，若小于最大线程数，线程池会添加工作线程并执行任务，如果仍然有大量任务提交，使得线程数等于最大线程数，如果此时还有任务提交，就会被拒绝。

现在我们对这个流程大致有所了解，那么让我们去看看源码是如何实现的吧！

线程池的任务提交从 submit 方法来说，submit 方法是 AbstractExecutorService 抽象类定义的，主要做了两件事情：

1. 把 Runnable 和 Callable 都转化成 FutureTask
2. 使用 execute 方法执行 FutureTask

execute 方法是 ThreadPoolExecutor 中的方法，源码如下：

public void execute(Runnable command) {
    // 若任务为空，则抛 NPE，不能执行空任务
    if (command == null) {
        throw new NullPointerException();
    }
    int c = ctl.get();
    // 若工作线程数小于核心线程数，则创建新的线程，并把当前任务 command 作为这个线程的第一个任务
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true)) {
            return;
        }
        c = ctl.get();
    }
    /**
        * 至此，有以下两种情况：
        * 1.当前工作线程数大于等于核心线程数
        * 2.新建线程失败
        * 此时会尝试将任务添加到阻塞队列 workQueue
        */
    // 若线程池处于 RUNNING 状态，将任务添加到阻塞队列 workQueue 中
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        // 再次检查线程池标记
        int recheck = ctl.get();
        // 如果线程池已不处于 RUNNING 状态，那么移除已入队的任务，并且执行拒绝策略
        if (!isRunning(recheck) && remove(command)) {
            // 任务添加到阻塞队列失败，执行拒绝策略
            reject(command);
        }
        // 如果线程池还是 RUNNING 的，并且线程数为 0，那么开启新的线程
        else if (workerCountOf(recheck) == 0) {
            addWorker(null, false);
        }
    }
    /**
        * 至此，有以下两种情况：
        * 1.线程池处于非运行状态，线程池不再接受新的线程
        * 2.线程处于运行状态，但是阻塞队列已满，无法加入到阻塞队列
        * 此时会尝试以最大线程数为界创建新的工作线程
        */
    else if (!addWorker(command, false)) {
        // 任务进入线程池失败，执行拒绝策略
        reject(command);
    }
}

可以看到 execute 方法中的的核心方法为 addWorker，再去看 addWorker 方法之前，先看下 Worker 的初始化方法：

Worker(Runnable firstTask) {
    // 每个任务的锁状态初始化为-1，这样工作线程在运行之前禁止中断
    setState(-1);
    this.firstTask = firstTask;
    // 把 Worker 作为 thread 运行的任务
    this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}

在 Worker 初始化时把当前 Worker 作为线程的构造器入参，接下来从 addWorker 方法中可以找到如下代码：

final Thread t = w.thread;
// 如果成功添加了 Worker，就可以启动 Worker 了
if (workerAdded) {
    t.start();
    workerStarted = true;
}

这块代码是添加 worker 成功，调用 start 方法启动线程，Thread t = w.thread; 此时的 w 是 Worker 的引用，那么t.start();实际上执行的就是 Worker 的 run 方法。

Worker 的 run 方法中调用了 runWorker 方法，简化后的 runWorker 源码如下：

final void runWorker(Worker w) {
    Runnable task = w.firstTask;
    while (task != null || (task = getTask()) != null) {
        try {
            task.run();
        } finally {
            task = null;
        }
    }
}

这个 while 循环有个 getTask 方法，getTask 的主要作用是阻塞从队列中拿任务出来，如果队列中有任务，那么就可以拿出来执行，如果队列中没有任务，这个线程会一直阻塞到有任务为止（或者超时阻塞），其中 getTask 方法的时序图如下：

 

其中线程复用的关键是 1.6 和 1.7 部分，这部分源码如下：

Runnable r = timed ? workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) : workQueue.take();

使用队列的 poll 或 take 方法从队列中拿数据，根据队列的特性，队列中有任务可以返回，队列中无任务会阻塞。

线程池的线程复用就是通过取 Worker 的 firstTask 或者通过 getTask 方法从 workQueue 中不停地取任务，并直接调用 Runnable 的 run 方法来执行任务，这样就保证了每个线程都始终在一个循环中，反复获取任务，然后执行任务，从而实现了线程的复用。