摘要：结合 ThreadPoolExecutor 类的源码深度分析线程池执行任务的整体流程。
本文分享自华为云社区《【高并发】通过ThreadPoolExecutor类的源码深度解析线程池执行任务的核心流程》，作者： 冰 河。
ThreadPoolExecutor 类中存在一个 workers 工作线程集合，用户可以向线程池中添加需要执行的任务，workers 集合中的工作线程可以直接执行任务，或者从任务队列中获取任务后执行。ThreadPoolExecutor 类中提供了整个线程池从创建到执行任务，再到消亡的整个流程方法。本文，就结合 ThreadPoolExecutor 类的源码深度分析线程池执行任务的整体流程。
在 ThreadPoolExecutor 类中，线程池的逻辑主要体现在 execute(Runnable)方法，addWorker(Runnable, boolean)方法，addWorkerFailed(Worker)方法和拒绝策略上，接下来，我们就深入分析这几个核心方法。
execute(Runnable)方法
execute(Runnable)方法的作用是提交 Runnable 类型的任务到线程池中。我们先看下 execute(Runnable)方法的源码，如下所示。
public void execute(Runnable command) { //如果提交的任务为空，则抛出空指针异常 if (command == null) throw new NullPointerException(); //获取线程池的状态和线程池中线程的数量 int c = ctl.get(); //线程池中的线程数量小于corePoolSize的值 if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { //重新开启线程执行任务 if (addWorker(command, true)) return; c = ctl.get(); } //如果线程池处于RUNNING状态，则将任务添加到阻塞队列中 if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) { //再次获取线程池的状态和线程池中线程的数量，用于二次检查 int recheck = ctl.get(); //如果线程池没有未处于RUNNING状态，从队列中删除任务 if (! isRunning(recheck) && remove(command)) //执行拒绝策略 reject(command); //如果线程池为空，则向线程池中添加一个线程 else if (workerCountOf(recheck) == 0) addWorker(null, false); } //任务队列已满，则新增worker线程，如果新增线程失败，则执行拒绝策略 else if (!addWorker(command, false)) reject(command);}
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整个任务的执行流程，我们可以简化成下图所示。
接下来，我们拆解 execute(Runnable)方法，具体分析 execute(Runnable)方法的执行逻辑。
（1）线程池中的线程数是否小于 corePoolSize 核心线程数，如果小于 corePoolSize 核心线程数，则向 workers 工作线程集合中添加一个核心线程执行任务。代码如下所示。
//线程池中的线程数量小于corePoolSize的值if (workerCountOf(c) < corePoolSize) { //重新开启线程执行任务 if (addWorker(command, true)) return; c = ctl.get();}
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（2）如果线程池中的线程数量大于 corePoolSize 核心线程数，则判断当前线程池是否处于 RUNNING 状态，如果处于 RUNNING 状态，则添加任务到待执行的任务队列中。注意：这里向任务队列添加任务时，需要判断线程池是否处于 RUNNING 状态，只有线程池处于 RUNNING 状态时，才能向任务队列添加新任务。否则，会执行拒绝策略。代码如下所示。
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command))
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（3）向任务队列中添加任务成功，由于其他线程可能会修改线程池的状态，所以这里需要对线程池进行二次检查，如果当前线程池的状态不再是 RUNNING 状态，则需要将添加的任务从任务队列中移除，执行后续的拒绝策略。如果当前线程池仍然处于 RUNNING 状态，则判断线程池是否为空，如果线程池中不存在任何线程，则新建一个线程添加到线程池中，如下所示。
//再次获取线程池的状态和线程池中线程的数量，用于二次检查int recheck = ctl.get();//如果线程池没有未处于RUNNING状态，从队列中删除任务if (! isRunning(recheck) && remove(command)) //执行拒绝策略 reject(command);//如果线程池为空，则向线程池中添加一个线程else if (workerCountOf(recheck) == 0) addWorker(null, false);
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（4）如果在步骤（3）中向任务队列中添加任务失败，则尝试开启新的线程执行任务。此时，如果线程池中的线程数量已经大于线程池中的最大线程数 maximumPoolSize，则不能再启动新线程。此时，表示线程池中的任务队列已满，并且线程池中的线程已满，需要执行拒绝策略，代码如下所示。
//任务队列已满，则新增worker线程，如果新增线程失败，则执行拒绝策略else if (!addWorker(command, false)) reject(command);
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这里，我们将 execute(Runnable)方法拆解，结合流程图来理解线程池中任务的执行流程就比较简单了。可以这么说，execute(Runnable)方法的逻辑基本上就是一般线程池的执行逻辑，理解了 execute(Runnable)方法，就基本理解了线程池的执行逻辑。
注意：有关 ScheduledThreadPoolExecutor 类和 ForkJoinPool 类执行线程池的逻辑，在【高并发专题】系列文章中的后文中会详细说明，理解了这些类的执行逻辑，就基本全面掌握了线程池的执行流程。
在分析 execute(Runnable)方法的源码时，我们发现 execute(Runnable)方法中多处调用了 addWorker(Runnable, boolean)方法，接下来，我们就一起分析下 addWorker(Runnable,boolean)方法的逻辑。
addWorker(Runnable, boolean)方法
总体上，addWorker(Runnable, boolean)方法可以分为三部分，第一部分是使用 CAS 安全的向线程池中添加工作线程；第二部分是创建新的工作线程；第三部分则是将任务通过安全的并发方式添加到 workers 中，并启动工作线程执行任务。
接下来，我们看下 addWorker(Runnable, boolean)方法的源码，如下所示。
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) { //标记重试的标识 retry: for (;;) { int c = ctl.get(); int rs = runStateOf(c);
// 检查队列是否在某些特定的条件下为空 if (rs >= SHUTDOWN && ! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty())) return false; //下面循环的主要作用为通过CAS方式增加线程的个数 for (;;) { //获取线程池中的线程数量 int wc = workerCountOf(c); //如果线程池中的线程数量超出限制，直接返回false if (wc >= CAPACITY || wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) return false; //通过CAS方式向线程池新增线程数量 if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) //通过CAS方式保证只有一个线程执行成功，跳出最外层循环 break retry; //重新获取ctl的值 c = ctl.get(); //如果CAS操作失败了，则需要在内循环中重新尝试通过CAS新增线程数量 if (runStateOf(c) != rs) continue retry; } } //跳出最外层for循环，说明通过CAS新增线程数量成功 //此时创建新的工作线程 boolean workerStarted = false; boolean workerAdded = false; Worker w = null; try { //将执行的任务封装成worker w = new Worker(firstTask); final Thread t = w.thread; if (t != null) { //独占锁，保证操作workers时的同步 final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { //此处需要重新检查线程池状态 //原因是在获得锁之前可能其他的线程改变了线程池的状态 int rs = runStateOf(ctl.get()); if (rs < SHUTDOWN || (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { if (t.isAlive()) throw new IllegalThreadStateException(); //向worker中添加新任务 workers.add(w); int s = workers.size(); if (s > largestPoolSize) largestPoolSize = s; //将是否添加了新任务的标识设置为true workerAdded = true; } } finally { //释放独占锁 mainLock.unlock(); } //添加新任成功，则启动线程执行任务 if (workerAdded) { t.start(); //将任务是否已经启动的标识设置为true workerStarted = true; } } } finally { //如果任务未启动或启动失败，则调用addWorkerFailed(Worker)方法 if (! workerStarted) addWorkerFailed(w); } //返回是否启动任务的标识 return workerStarted;}
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乍一看，addWorker(Runnable, boolean)方法还蛮长的，这里，我们还是将 addWorker(Runnable,boolean)方法进行拆解。
（1）检查任务队列是否在某些特定的条件下为空，代码如下所示。
// 检查队列是否在某些特定的条件下为空if (rs >= SHUTDOWN && ! (rs == SHUTDOWN && firstTask == null && ! workQueue.isEmpty())) return false;
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（2）在通过步骤（1）的校验后，则进入内层 for 循环，在内层 for 循环中通过 CAS 来增加线程池中的线程数量，如果 CAS 操作成功，则直接退出双重 for 循环。如果 CAS 操作失败，则查看当前线程池的状态是否发生了变化，如果线程池的状态发生了变化，则通过 continue 关键字重新通过外层 for 循环校验任务队列，检验通过再次执行内层 for 循环的 CAS 操作。如果线程池的状态没有发生变化，此时上一次 CAS 操作失败了，则继续尝试 CAS 操作。代码如下所示。
for (;;) { //获取线程池中的线程数量 int wc = workerCountOf(c); //如果线程池中的线程数量超出限制，直接返回false if (wc >= CAPACITY || wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize)) return false; //通过CAS方式向线程池新增线程数量 if (compareAndIncrementWorkerCount(c)) //通过CAS方式保证只有一个线程执行成功，跳出最外层循环 break retry; //重新获取ctl的值 c = ctl.get(); //如果CAS操作失败了，则需要在内循环中重新尝试通过CAS新增线程数量 if (runStateOf(c) != rs) continue retry;}
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（3）CAS 操作成功后，表示向线程池中成功添加了工作线程，此时，还没有线程去执行任务。使用全局的独占锁 mainLock 来将新增的工作线程 Worker 对象安全的添加到 workers 中。
总体逻辑就是：创建新的 Worker 对象，并获取 Worker 对象中的执行线程，如果线程不为空，则获取独占锁，获取锁成功后，再次检查线线程的状态，这是避免在获取独占锁之前其他线程修改了线程池的状态，或者关闭了线程池。如果线程池关闭，则需要释放锁。否则将新增加的线程添加到工作集合中，释放锁并启动线程执行任务。将是否启动线程的标识设置为 true。最后，判断线程是否启动，如果没有启动，则调用 addWorkerFailed(Worker)方法。最终返回线程是否起送的标识。
//跳出最外层for循环，说明通过CAS新增线程数量成功//此时创建新的工作线程boolean workerStarted = false;boolean workerAdded = false;Worker w = null;try { //将执行的任务封装成worker w = new Worker(firstTask); final Thread t = w.thread; if (t != null) { //独占锁，保证操作workers时的同步 final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { //此处需要重新检查线程池状态 //原因是在获得锁之前可能其他的线程改变了线程池的状态 int rs = runStateOf(ctl.get()); if (rs < SHUTDOWN || (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) { if (t.isAlive()) throw new IllegalThreadStateException(); //向worker中添加新任务 workers.add(w); int s = workers.size(); if (s > largestPoolSize) largestPoolSize = s; //将是否添加了新任务的标识设置为true workerAdded = true; } } finally { //释放独占锁 mainLock.unlock(); } //添加新任成功，则启动线程执行任务 if (workerAdded) { t.start(); //将任务是否已经启动的标识设置为true workerStarted = true; } }} finally { //如果任务未启动或启动失败，则调用addWorkerFailed(Worker)方法 if (! workerStarted) addWorkerFailed(w);}//返回是否启动任务的标识return workerStarted;
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addWorkerFailed(Worker)方法
在 addWorker(Runnable, boolean)方法中，如果添加工作线程失败或者工作线程启动失败时，则会调用 addWorkerFailed(Worker)方法，下面我们就来看看 addWorkerFailed(Worker)方法的实现，如下所示。
private void addWorkerFailed(Worker w) { //获取独占锁 final ReentrantLock mainLock = this.mainLock; mainLock.lock(); try { //如果Worker任务不为空 if (w != null) //将任务从workers集合中移除 workers.remove(w); //通过CAS将任务数量减1 decrementWorkerCount(); tryTerminate(); } finally { //释放锁 mainLock.unlock(); }}
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addWorkerFailed(Worker)方法的逻辑就比较简单了，获取独占锁，将任务从 workers 中移除，并且通过 CAS 将任务的数量减 1，最后释放锁。
拒绝策略
我们在分析 execute(Runnable)方法时，线程池会在适当的时候调用 reject(Runnable)方法来执行相应的拒绝策略，我们看下 reject(Runnable)方法的实现，如下所示。
final void reject(Runnable command) { handler.rejectedExecution(command, this);}
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通过代码，我们发现调用的是 handler 的 rejectedExecution 方法，handler 又是个什么鬼，我们继续跟进代码，如下所示。
private volatile RejectedExecutionHandler handler;
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再看看 RejectedExecutionHandler 是个啥类型，如下所示。
package java.util.concurrent;
public interface RejectedExecutionHandler {
void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor);}
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可以发现 RejectedExecutionHandler 是个接口，定义了一个 rejectedExecution(Runnable,ThreadPoolExecutor)方法。既然 RejectedExecutionHandler 是个接口，那我们就看看有哪些类实现了 RejectedExecutionHandler 接口。
看到这里，我们发现 RejectedExecutionHandler 接口的实现类正是线程池默认提供的四种拒绝策略的实现类。
至于 reject(Runnable)方法中具体会执行哪个类的拒绝策略，是根据创建线程池时传递的参数决定的。如果没有传递拒绝策略，则默认会执行 AbortPolicy 类的拒绝策略。否则会执行传递的类的拒绝策略。
在创建线程池时，除了能够传递 JDK 默认提供的拒绝策略外，还可以传递自定义的拒绝策略。如果想使用自定义的拒绝策略，则只需要实现 RejectedExecutionHandler 接口，并重写 rejectedExecution(Runnable,ThreadPoolExecutor)方法即可。例如，下面的代码。
public class CustomPolicy implements RejectedExecutionHandler {
public CustomPolicy() { }
public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e) { if (!e.isShutdown()) { System.out.println("使用调用者所在的线程来执行任务") r.run(); } }}
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使用如下方式创建线程池。
new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>(), Executors.defaultThreadFactory(), new CustomPolicy());
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至此，线程池执行任务的整体核心逻辑分析结束。
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