目录

一、线程池状态概述

1、线程池的概念

2、常见线程池的分类

二、线程池状态的保存

1、线程池的实现

2、状态变量的设计

3. 代码示例：Java 线程池 ThreadPoolExecutor 的状态存储实现

三、线程池状态的切换

1. 状态切换的触发条件

2. 状态转换的线程安全性保证 

3. 状态切换的流程与限制 （单向，不可逆）

四、状态切换的典型场景分析

1. 正常关闭流程（RUNNING → SHUTDOWN → TIDYING → TERMINATED）

2. 强制终止流程（RUNNING → STOP → TIDYING → TERMINATED）

3. 状态切换期间的线程处理逻辑

五、常见问题与解决方案

状态切换导致的资源泄漏问题

六、总结

线程池状态管理的核心要点

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一、线程池状态概述

1、线程池的概念

线程池状态是指线程池在其生命周期中所处的不同阶段，用于控制和管理线程池的行为。线程池作为一种重要的并发编程工具，其状态管理直接影响到系统的稳定性、性能和资源利用率。

2、常见线程池的分类

RUNNING：线程池的初始状态，能够接受新任务并处理队列中的任务。

SHUTDOWN：不再接受新任务，但会继续处理队列中已存在的任务。

STOP：不再接受新任务，也不处理队列中的任务，并尝试中断正在执行的任务。

TIDYING：所有任务已终止，工作线程数量为零，进入终结前的整理阶段。

TERMINATED：线程池彻底终止，所有资源已释放。

二、线程池状态的保存

1、线程池的实现

线程池状态的保存需要保证线程安全，常见的实现方式包括：

• 原子变量（AtomicInteger）：使用原子操作保证状态更新的原子性和可见性。

• 标志位（volatile 变量）：使用 volatile 关键字保证变量的可见性，确保多线程间状态的一致性。

2、状态变量的设计

以 Java 的 ThreadPoolExecutor 为例，其状态和线程数量通过一个 AtomicInteger 类型的 ctl 变量存储：

• 高位存储状态：使用高 3 位存储线程池状态。

• 低位存储线程数：使用低 29 位存储线程池中的工作线程数量。  

这种设计使得线程池可以用一个变量高效地管理两个关键信息，减少了锁的使用，提高了并发性能。

3. 代码示例：Java 线程池 ThreadPoolExecutor 的状态存储实现

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3; // 29位
private static final int CAPACITY   = (1 << COUNT_BITS) - 1;

// 线程池状态掩码
private static final int RUNNING    = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN   =  0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP       =  1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING    =  2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED =  3 << COUNT_BITS;

// 计算 ctl 值（状态和线程数的组合）
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

// 获取线程池状态
private static int runStateOf(int c)     { return c & ~CAPACITY; }

// 获取线程数量
private static int workerCountOf(int c)  { return c & CAPACITY; }

三、线程池状态的切换

1. 状态切换的触发条件

线程池状态的切换通常由以下方法触发：

• shutdown()：将线程池从 RUNNING 状态切换到 SHUTDOWN 状态。

• shutdownNow()：将线程池从 RUNNING 或 SHUTDOWN 状态切换到 STOP 状态。

• 任务队列和工作线程清空：当 SHUTDOWN 状态下任务队列和工作线程都为空时，切换到 TIDYING 状态。

• 所有任务终止：当 STOP 状态下所有任务都终止且工作线程为空时，切换到 TIDYING 状态。

• terminated() 方法执行完毕：TIDYING 状态下 terminated() 钩子方法执行完毕后，切换到 TERMINATED 状态。 

2. 状态转换的线程安全性保证 

线程池状态的转换需要保证线程安全，通常采用以下机制：

• CAS（Compare-and-Swap）操作：使用原子变量的 CAS 操作实现无锁的状态更新，确保状态转换的原子性。

• 锁机制：在关键操作中使用 ReentrantLock 保证状态转换的互斥性。

3. 状态切换的流程与限制 （单向，不可逆）

• RUNNING 状态可以转换为 SHUTDOWN 或 STOP。

• SHUTDOWN 状态可以转换为 STOP（通过 shutdownNow()）或 TIDYING。

• STOP 状态只能转换为 TIDYING。

• TIDYING 状态只能转换为 TERMINATED。

四、状态切换的典型场景分析

• 1. 正常关闭流程（RUNNING → SHUTDOWN → TIDYING → TERMINATED）

• 调用 shutdown() 方法，线程池从 RUNNING 变为 SHUTDOWN。
• 不再接受新任务，但继续处理队列中的任务。
• 所有任务处理完毕后，工作线程数量变为零，进入 TIDYING 状态。
• 执行 terminated() 钩子方法后，进入 TERMINATED 状态。

• 2. 强制终止流程（RUNNING → STOP → TIDYING → TERMINATED）

• 调用 shutdownNow() 方法，线程池从 RUNNING 或 SHUTDOWN 变为 STOP。
• 不再接受新任务，不处理队列中的任务，并尝试中断正在执行的任务。
• 所有任务终止且工作线程数量变为零后，进入 TIDYING 状态。
• 执行 terminated() 钩子方法后，进入 TERMINATED 状态。

• 3. 状态切换期间的线程处理逻辑

• 中断工作线程：在 STOP 状态下，调用 interrupt() 方法中断所有工作线程。
• 拒绝新任务：在 SHUTDOWN 或 STOP 状态下，新提交的任务会被拒绝，并触发拒绝策略。
• 处理队列中的任务：SHUTDOWN 状态下继续处理队列中的任务，而 STOP 状态下直接丢弃队列中的任务。

五、常见问题与解决方案

状态切换导致的资源泄漏问题

• 问题：在状态切换过程中，如果工作线程没有正确释放资源（如文件句柄、网络连接等），可能导致资源泄漏。

• 解决方案：

  • 在 Runnable 任务的 finally 块中释放资源。

  • 重写 ThreadPoolExecutor 的 terminated() 方法，确保资源被正确关闭。

六、总结

线程池状态管理的核心要点

• 线程池状态控制着任务的提交和执行，以及工作线程的生命周期。

• 状态转换是单向不可逆的，遵循特定的流程。

• 使用原子变量和 CAS 操作保证状态转换的线程安全性。

• 合理的状态管理是线程池高效、稳定运行的关键。