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Java线程池ThreadPoolExecutor使用和分析(一)

Java线程池ThreadPoolExecutor使用和分析(二) - execute()原理

Java线程池ThreadPoolExecutor使用和分析(三) - 终止线程池原理

终止线程池主要有两个方法:shutdown() 和 shutdownNow()。

shutdown()后线程池将变成shutdown状态,此时不接收新任务,但会处理完正在运行的 和 在阻塞队列中等待处理的任务。

shutdownNow()后线程池将变成stop状态,此时不接收新任务,不再处理在阻塞队列中等待的任务,还会尝试中断正在处理中的工作线程。

下面是对线程池的几种终止方式的分析,基于JDK 1.7

以下是本文的目录大纲:

一、shutdown()  --  温柔的终止线程池

interruptIdleWorkers()  --  中断空闲worker

tryTerminate()  --  尝试终止线程池

二、shutdownNow()  --  强硬的终止线程池

interruptWorkers()  --  中断所有worker

三、awaitTermination()  --  等待线程池终止

    若有不正之处请多多谅解,欢迎批评指正、互相讨论。

请尊重作者劳动成果,转载请标明原文链接:

http://www.cnblogs.com/trust-freedom/p/6693601.html

一、shutdown()  --  温柔的终止线程池

/**
* Initiates an orderly shutdown in which previously submitted
* tasks are executed, but no new tasks will be accepted.
* Invocation has no additional effect if already shut down.
* 开始一个有序的关闭,在关闭中,之前提交的任务会被执行(包含正在执行的,在阻塞队列中的),但新任务会被拒绝
* 如果线程池已经shutdown,调用此方法不会有附加效应
*
* <p>This method does not wait for previously submitted tasks to
* complete execution. Use {@link #awaitTermination awaitTermination}
* to do that.
* 当前方法不会等待之前提交的任务执行结束,可以使用awaitTermination()
*
* @throws SecurityException {@inheritDoc}
*/
public void shutdown() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock(); //上锁 try {
//判断调用者是否有权限shutdown线程池
checkShutdownAccess(); //CAS+循环设置线程池状态为shutdown
advanceRunState(SHUTDOWN); //中断所有空闲线程
interruptIdleWorkers(); onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
}
finally {
mainLock.unlock(); //解锁
} //尝试终止线程池
tryTerminate();
}

shutdown()执行流程:

1、上锁,mainLock是线程池的主锁,是可重入锁,当要操作workers set这个保持线程的HashSet时,需要先获取mainLock,还有当要处理largestPoolSize、completedTaskCount这类统计数据时需要先获取mainLock

2、判断调用者是否有权限shutdown线程池

3、使用CAS操作将线程池状态设置为shutdown,shutdown之后将不再接收新任务

4、中断所有空闲线程  interruptIdleWorkers()

5、onShutdown(),ScheduledThreadPoolExecutor中实现了这个方法,可以在shutdown()时做一些处理

6、解锁

7、尝试终止线程池  tryTerminate()

可以看到shutdown()方法最重要的几个步骤是:更新线程池状态为shutdown中断所有空闲线程tryTerminated()尝试终止线程池

那么,什么是空闲线程?interruptIdleWorkers() 是怎么中断空闲线程的?

/**
* Interrupts threads that might be waiting for tasks (as
* indicated by not being locked) so they can check for
* termination or configuration changes. Ignores
* SecurityExceptions (in which case some threads may remain
* uninterrupted).
* 中断在等待任务的线程(没有上锁的),中断唤醒后,可以判断线程池状态是否变化来决定是否继续
*
* @param onlyOne If true, interrupt at most one worker. This is
* called only from tryTerminate when termination is otherwise
* enabled but there are still other workers. In this case, at
* most one waiting worker is interrupted to propagate shutdown
* signals in case(以免) all threads are currently waiting.
* Interrupting any arbitrary thread ensures that newly arriving
* workers since shutdown began will also eventually exit.
* To guarantee eventual termination, it suffices to always
* interrupt only one idle worker, but shutdown() interrupts all
* idle workers so that redundant workers exit promptly, not
* waiting for a straggler task to finish.
*
* onlyOne如果为true,最多interrupt一个worker
* 只有当终止流程已经开始,但线程池还有worker线程时,tryTerminate()方法会做调用onlyOne为true的调用
* (终止流程已经开始指的是:shutdown状态 且 workQueue为空,或者 stop状态)
* 在这种情况下,最多有一个worker被中断,为了传播shutdown信号,以免所有的线程都在等待
* 为保证线程池最终能终止,这个操作总是中断一个空闲worker
* 而shutdown()中断所有空闲worker,来保证空闲线程及时退出
*/
private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock(); //上锁
try {
for (Worker w : workers) {
Thread t = w.thread; if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) {
try {
t.interrupt();
} catch (SecurityException ignore) {
} finally {
w.unlock();
}
}
if (onlyOne)
break;
}
} finally {
mainLock.unlock(); //解锁
}
}

interruptIdleWorkers() 首先会获取mainLock锁,因为要迭代workers set,在中断每个worker前,需要做两个判断:

1、线程是否已经被中断,是就什么都不做

2、worker.tryLock() 是否成功

第二个判断比较重要,因为Worker类除了实现了可执行的Runnable,也继承了AQS,本身也是一把锁,具体可见 ThreadPoolExecutor内部类Worker解析

tryLock()调用了Worker自身实现的tryAcquire()方法,这也是AQS规定子类需要实现的尝试获取锁的方法

protected boolean tryAcquire(int unused) {
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}

tryAcquire()先尝试将AQS的state从0-->1,返回true代表上锁成功,并设置当前线程为锁的拥有者

可以看到compareAndSetState(0, 1)只尝试了一次获取锁,且不是每次state+1,而是0-->1,说明锁不是可重入的

但是为什么要worker.tryLock()获取worker的锁呢?

这就是Woker类存在的价值之一,控制线程中断

在runWorker()方法中每次获取到task,task.run()之前都需要worker.lock()上锁,运行结束后解锁,即正在运行任务的工作线程都是上了worker锁的

在interruptIdleWorkers()中断之前需要先tryLock()获取worker锁,意味着正在运行的worker不能中断,因为worker.tryLock()失败,且锁是不可重入的

故shutdown()只有对能获取到worker锁的空闲线程(正在从workQueue中getTask(),此时worker没有加锁)发送中断信号

由此可以将worker划分为:
1、空闲worker:正在从workQueue阻塞队列中获取任务的worker
2、运行中worker:正在task.run()执行任务的worker

正阻塞在getTask()获取任务的worker在被中断后,会抛出InterruptedException,不再阻塞获取任务

捕获中断异常后,将继续循环到getTask()最开始的判断线程池状态的逻辑,当线程池是shutdown状态,且workQueue.isEmpty时,return null,进行worker线程退出逻辑

某些情况下,interruptIdleWorkers()时多个worker正在运行,不会对其发出中断信号,假设此时workQueue也不为空

那么当多个worker运行结束后,会到workQueue阻塞获取任务,获取到的执行任务,没获取到的,如果还是核心线程,会一直workQueue.take()阻塞住,线程无法终止,因为workQueue已经空了,且shutdown后不会接收新任务了

这就需要在shutdown()后,还可以发出中断信号

Doug Lea大神巧妙的在所有可能导致线程池产终止的地方安插了tryTerminated()尝试线程池终止的逻辑,并在其中判断如果线程池已经进入终止流程,没有任务等待执行了,但线程池还有线程,中断唤醒一个空闲线程

shutdown()的最后也调用了tryTerminated()方法,下面看看这个方法的逻辑:

/**
* Transitions to TERMINATED state if either (SHUTDOWN and pool
* and queue empty) or (STOP and pool empty). If otherwise
* eligible to terminate but workerCount is nonzero, interrupts an
* idle worker to ensure that shutdown signals propagate. This
* method must be called following any action that might make
* termination possible -- reducing worker count or removing tasks
* from the queue during shutdown. The method is non-private to
* allow access from ScheduledThreadPoolExecutor.
*
* 在以下情况将线程池变为TERMINATED终止状态
* shutdown 且 正在运行的worker 和 workQueue队列 都empty
* stop 且 没有正在运行的worker
*
* 这个方法必须在任何可能导致线程池终止的情况下被调用,如:
* 减少worker数量
* shutdown时从queue中移除任务
*
* 这个方法不是私有的,所以允许子类ScheduledThreadPoolExecutor调用
*/
final void tryTerminate() {
//这个for循环主要是和进入关闭线程池操作的CAS判断结合使用的
for (;;) {
int c = ctl.get(); /**
* 线程池是否需要终止
* 如果以下3中情况任一为true,return,不进行终止
* 1、还在运行状态
* 2、状态是TIDYING、或 TERMINATED,已经终止过了
* 3、SHUTDOWN 且 workQueue不为空
*/
if (isRunning(c) ||
runStateAtLeast(c, TIDYING) ||
(runStateOf(c) == SHUTDOWN && ! workQueue.isEmpty()))
return; /**
* 只有shutdown状态 且 workQueue为空,或者 stop状态能执行到这一步
* 如果此时线程池还有线程(正在运行任务,正在等待任务)
* 中断唤醒一个正在等任务的空闲worker
* 唤醒后再次判断线程池状态,会return null,进入processWorkerExit()流程
*/
if (workerCountOf(c) != 0) { // Eligible to terminate 资格终止
interruptIdleWorkers(ONLY_ONE); //中断workers集合中的空闲任务,参数为true,只中断一个
return;
} /**
* 如果状态是SHUTDOWN,workQueue也为空了,正在运行的worker也没有了,开始terminated
*/
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
//CAS:将线程池的ctl变成TIDYING(所有的任务被终止,workCount为0,为此状态时将会调用terminated()方法),期间ctl有变化就会失败,会再次for循环
if (ctl.compareAndSet(c, ctlOf(TIDYING, 0))) {
try {
terminated(); //需子类实现
}
finally {
ctl.set(ctlOf(TERMINATED, 0)); //将线程池的ctl变成TERMINATED
termination.signalAll(); //唤醒调用了 等待线程池终止的线程 awaitTermination()
}
return;
}
}
finally {
mainLock.unlock();
}
// else retry on failed CAS
// 如果上面的CAS判断false,再次循环
}
}

tryTerminate() 执行流程:

1、判断线程池是否需要进入终止流程(只有当shutdown状态+workQueue.isEmpty 或 stop状态,才需要)

2、判断线程池中是否还有线程,有则 interruptIdleWorkers(ONLY_ONE) 尝试中断一个空闲线程(正是这个逻辑可以再次发出中断信号,中断阻塞在获取任务的线程)

3、如果状态是SHUTDOWN,workQueue也为空了,正在运行的worker也没有了,开始terminated

会先上锁,将线程池置为tidying状态,之后调用需子类实现的 terminated(),最后线程池置为terminated状态,并唤醒所有等待线程池终止这个Condition的线程

二、shutdownNow()  --  强硬的终止线程池

/**
* Attempts to stop all actively executing tasks, halts the
* processing of waiting tasks, and returns a list of the tasks
* that were awaiting execution. These tasks are drained (removed)
* from the task queue upon return from this method.
* 尝试停止所有活动的正在执行的任务,停止等待任务的处理,并返回正在等待被执行的任务列表
* 这个任务列表是从任务队列中排出(删除)的
*
* <p>This method does not wait for actively executing tasks to
* terminate. Use {@link #awaitTermination awaitTermination} to
* do that.
* 这个方法不用等到正在执行的任务结束,要等待线程池终止可使用awaitTermination()
*
* <p>There are no guarantees beyond best-effort attempts to stop
* processing actively executing tasks. This implementation
* cancels tasks via {@link Thread#interrupt}, so any task that
* fails to respond to interrupts may never terminate.
* 除了尽力尝试停止运行中的任务,没有任何保证
* 取消任务是通过Thread.interrupt()实现的,所以任何响应中断失败的任务可能永远不会结束
*
* @throws SecurityException {@inheritDoc}
*/
public List<Runnable> shutdownNow() {
List<Runnable> tasks;
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock(); //上锁 try {
//判断调用者是否有权限shutdown线程池
checkShutdownAccess(); //CAS+循环设置线程池状态为stop
advanceRunState(STOP); //中断所有线程,包括正在运行任务的
interruptWorkers(); tasks = drainQueue(); //将workQueue中的元素放入一个List并返回
}
finally {
mainLock.unlock(); //解锁
} //尝试终止线程池
tryTerminate(); return tasks; //返回workQueue中未执行的任务
}

shutdownNow() 和 shutdown()的大体流程相似,差别是:

1、将线程池更新为stop状态

2、调用 interruptWorkers() 中断所有线程,包括正在运行的线程

3、将workQueue中待处理的任务移到一个List中,并在方法最后返回,说明shutdownNow()后不会再处理workQueue中的任务

interruptWorkers()

private void interruptWorkers() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
for (Worker w : workers)
w.interruptIfStarted();
} finally {
mainLock.unlock();
}
}

interruptWorkers() 很简单,循环对所有worker调用 interruptIfStarted(),其中会判断worker的AQS state是否大于0,即worker是否已经开始运作,再调用Thread.interrupt()

需要注意的是,对于运行中的线程调用Thread.interrupt()并不能保证线程被终止,task.run()内部可能捕获了InterruptException,没有上抛,导致线程一直无法结束

三、awaitTermination()  --  等待线程池终止

参数:
    timeout:超时时间
    unit:     timeout超时时间的单位
返回:
    true:线程池终止
    false:超过timeout指定时间
在发出一个shutdown请求后,在以下3种情况发生之前,awaitTermination()都会被阻塞
1、所有任务完成执行
2、到达超时时间
3、当前线程被中断

/**
* Wait condition to support awaitTermination
*/
private final Condition termination = mainLock.newCondition();

awaitTermination() 循环的判断线程池是否terminated终止 或 是否已经超过超时时间,然后通过termination这个Condition阻塞等待一段时间

termination.awaitNanos() 是通过 LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout)实现的阻塞等待

阻塞等待过程中发生以下具体情况会解除阻塞(对上面3种情况的解释):

1、如果发生了 termination.signalAll()(内部实现是 LockSupport.unpark())会唤醒阻塞等待,且由于ThreadPoolExecutor只有在 tryTerminated()尝试终止线程池成功,将线程池更新为terminated状态后才会signalAll(),故awaitTermination()再次判断状态会return true退出

2、如果达到了超时时间 termination.awaitNanos() 也会返回,此时nano==0,再次循环判断return false,等待线程池终止失败

3、如果当前线程被 Thread.interrupt(),termination.awaitNanos()会上抛InterruptException,awaitTermination()继续上抛给调用线程,会以异常的形式解除阻塞

故终止线程池并需要知道其是否终止可以用如下方式:

executorService.shutdown();
try{
while(!executorService.awaitTermination(500, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
LOGGER.debug("Waiting for terminate");
}
}
catch (InterruptedException e) {
//中断处理
}

参考资料:

深入理解java线程池—ThreadPoolExecutor

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