面試題-關於Java線程池一篇文章就夠了

時間 2019-12-17

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在Java面試中，線程池相關知識，雖不能說是必問提，但出現的頻次也是很是高的。同時又鑑於公衆號「程序新視界」的讀者後臺留言讓寫一篇關於Java線程池的文章，因而就有本篇內容，本篇將基於Java線程池的原理、實現以及相關源碼進行講解等。java

什麼是線程池

線程池是一種多線程處理形式，處理過程當中將任務提交到線程池，任務的執行交由線程池來管理。面試

爲了充分利用CPU多核資源，應用都會採用多線程並行/併發計算，最大限度的利用多核提高應用程序性能。spring

試想一下，若是每一個請求都執行一遍建立線程、執行任務、銷燬線程，那麼對服務器資源將是一種浪費。在高併發的狀況下，甚至會耗盡服務器資源。apache

線程池的主要做用有兩個：不一樣請求之間重複利用線程，無需頻繁的建立和銷燬線程，下降系統開銷和控制線程數量上限，避免建立過多的線程耗盡進程內存空間，同時減小線程上下文切換次數。數組

常見面試題

說說Java線程池的好處及實現的原理？
Java提供線程池各個參數的做用，如何進行的?
根據線程池內部機制，當提交新任務時，有哪些異常要考慮？
線程池都有哪幾種工做隊列？
使用無界隊列的線程池會致使內存飆升嗎？
說說幾種常見的線程池及使用場景?

線程池的建立與使用

在JDK5版本中增長了內置線程池實現ThreadPoolExecutor，同時提供了Executors來建立不一樣類型的線程池。Executors中提供瞭如下常見的線程池建立方法：緩存

newSingleThreadExecutor：一個單線程的線程池。若是因異常結束，會再建立一個新的，保證按照提交順序執行。
newFixedThreadPool：建立固定大小的線程池。根據提交的任務逐個增長線程，直到最大值保持不變。若是因異常結束，會新建立一個線程補充。
newCachedThreadPool：建立一個可緩存的線程池。會根據任務自動新增或回收線程。
newScheduledThreadPool：支持定時以及週期性執行任務的需求。
newWorkStealingPool：JDK8新增，根據所需的並行層次來動態建立和關閉線程，經過使用多個隊列減小競爭，底層使用ForkJoinPool來實現。優點在於能夠充分利用多CPU，把一個任務拆分紅多個「小任務」，放到多個處理器核心上並行執行；當多個「小任務」執行完成以後，再將這些執行結果合併起來便可。

雖然在JDK中提供Executors類來支持以上類型的線程池建立，但一般狀況下不建議開發人員直接使用（見《阿里巴巴java開發規範》）。服務器

線程池不容許使用Executors去建立，而是經過ThreadPoolExecutor的方式，這樣的處理方式讓寫的同窗更加明確線程池的運行規則，規避資源耗盡的風險。微信

Executors部分方法的弊端：多線程

newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor主要問題是堆積的請求處理隊列可能會耗費很是大的內存，甚至OOM。
newCachedThreadPool和newScheduledThreadPool:主要問題是線程數最大數是Integer.MAX_VALUE，可能會建立數量很是多的線程，甚至OOM。

同時，阿里巴巴java開發規範中推薦了3種線程池建立方式。併發

方式一，引入commons-lang3包。

//org.apache.commons.lang3.concurrent.BasicThreadFactory
ScheduledExecutorService executorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(1,
    new BasicThreadFactory.Builder().namingPattern("example-schedule-pool-%d").daemon(true).build());複製代碼

方式二，引入com.google.guava包。

ThreadFactory namedThreadFactory = new ThreadFactoryBuilder()
    .setNameFormat("demo-pool-%d").build();

//Common Thread Pool
ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(5, 200,
    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
    new LinkedBlockingQueue<Runnable>(1024), namedThreadFactory, new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

pool.execute(()-> System.out.println(Thread.currentThread().getName()));
pool.shutdown();//gracefully shutdown複製代碼

方式三，spring配置線程池方式：自定義線程工廠bean須要實現ThreadFactory，可參考該接口的其它默認實現類，使用方式直接注入bean，調用execute(Runnable task)方法便可。

<bean id="userThreadPool"
    class="org.springframework.scheduling.concurrent.ThreadPoolTaskExecutor">
    <property name="corePoolSize" value="10" />
    <property name="maxPoolSize" value="100" />
    <property name="queueCapacity" value="2000" />

<property name="threadFactory" value= threadFactory />
    <property name="rejectedExecutionHandler">
        <ref local="rejectedExecutionHandler" />
    </property>
</bean>
// in code
userThreadPool.execute(thread);複製代碼

ThreadPoolExecutor的構造方法

除了以上推薦的建立線程池的方法，還能夠經過ThreadPoolExecutor的構造方法，直接建立線程池。本質上來說，以上方法最終也是建立了ThreadPoolExecutor對象，而後堆積進行包裝處理。

ThreadPoolExecutor提供了多個構造方法，咱們最終都調用的構造方法來進行說明。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
      int maximumPoolSize,
      long keepAliveTime,
      TimeUnit unit,
      BlockingQueue<Runnable> workQueue,
      ThreadFactory threadFactory,
      RejectedExecutionHandler handler) {
   // 省略代碼
}複製代碼

核心參數做用解析以下：

corePoolSize：線程池核心線程數最大值。
maximumPoolSize：線程池最大線程數大小。
keepAliveTime：線程池中非核心線程空閒的存活時間大小。
unit：線程空閒存活時間單位。
workQueue：存聽任務的阻塞隊列。
threadFactory：建立新線程的工廠，全部線程都是經過該工廠建立的，有默認實現。
handler：線程池的拒絕策略。

程池的拒絕策略

構造方法的中最後的參數RejectedExecutionHandler用於指定線程池的拒絕策略。當請求任務不斷的過來，而系統此時又處理不過來的時候，咱們就須要採起對應的策略是拒絕服務。

默認有四種類型：

AbortPolicy策略：該策略會直接拋出異常，阻止系統正常工做。
CallerRunsPolicy策略：只要線程池未關閉，該策略直接在調用者線程中，運行當前的被丟棄的任務。
DiscardOleddestPolicy策略：該策略將丟棄最老的一個請求，也就是即將被執行的任務，並嘗試再次提交當前任務。
DiscardPolicy策略：該策略默默的丟棄沒法處理的任務，不予任何處理。

固然，除了默認的4種策略以外，還能夠根據業務需求自定義拒絕策略。經過實現RejectedExecutionHandler接口，在建立ThreadPoolExecutor對象時做爲參數傳入便可。

在spring-integration-core中便自定義了CallerBlocksPolicy，相關代碼以下：

public class CallerBlocksPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    private static final Log logger = LogFactory.getLog(CallerBlocksPolicy.class);
    private final long maxWait;

    public CallerBlocksPolicy(long maxWait) {
        this.maxWait = maxWait;
    }

    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
        if (!executor.isShutdown()) {
            try {
                BlockingQueue<Runnable> queue = executor.getQueue();
                if (logger.isDebugEnabled()) {
                    logger.debug("Attempting to queue task execution for " + this.maxWait + " milliseconds");
                }

                if (!queue.offer(r, this.maxWait, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                    throw new RejectedExecutionException("Max wait time expired to queue task");
                } else {
                    if (logger.isDebugEnabled()) {
                        logger.debug("Task execution queued");
                    }

                }
            } catch (InterruptedException var4) {
                Thread.currentThread().interrupt();
                throw new RejectedExecutionException("Interrupted", var4);
            }
        } else {
            throw new RejectedExecutionException("Executor has been shut down");
        }
    }
}複製代碼

線程池的執行

建立完成ThreadPoolExecutor以後，當向線程池提交任務時，一般使用execute方法。execute方法的執行流程圖以下：

若是線程池中存活的核心線程數小於線程數corePoolSize時，線程池會建立一個核心線程去處理提交的任務。
若是線程池核心線程數已滿，即線程數已經等於corePoolSize，一個新提交的任務，會被放進任務隊列workQueue排隊等待執行。
當線程池裏面存活的線程數已經等於corePoolSize了,而且任務隊列workQueue也滿，判斷線程數是否達到maximumPoolSize，即最大線程數是否已滿，若是沒到達，建立一個非核心線程執行提交的任務。
若是當前的線程數達到了maximumPoolSize，還有新的任務過來的話，直接採用拒絕策略處理。

源代碼分析

下面看一下JDK8中ThreadPoolExecutor中execute方法的源代碼實現：

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    // 線程池自己的狀態跟worker數量使用同一個變量ctl來維護
    int c = ctl.get();
    // 經過位運算得出固然線程池中的worker數量與構造參數corePoolSize進行比較
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        // 若是小於corePoolSize，則直接新增一個worker，並把固然用戶提交的任務command做爲參數，若是成功則返回。
        if (addWorker(command, true))
            return;
        // 若是失敗，則獲取最新的線程池數據
        c = ctl.get();
    }
    // 若是線程池仍在運行，則把任務放到阻塞隊列中等待執行。
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        // 這裏的recheck思路是爲了處理併發問題
        int recheck = ctl.get();
        // 當任務成功放入隊列時，若是recheck發現線程池已經再也不運行了則從隊列中把任務刪除
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            //刪除成功之後，會調用構造參數傳入的拒絕策略。
            reject(command);
         // 若是worker的數量爲0（此時隊列中可能有任務沒有執行），則新建一個worker（因爲此時新建woker的目的是執行隊列中堆積的任務，
         // 所以入參沒有執行任務，詳細邏輯後面會詳細分析addWorker方法）。
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    // 若是前面的新增woker，放入隊列都失敗，則會繼續新增worker，此時線程池的狀態是woker數量達到corePoolSize，阻塞隊列任務已滿
    // 只能基於maximumPoolSize參數新建woker
    else if (!addWorker(command, false))
        // 若是基於maximumPoolSize新建woker失敗，此時是線程池中線程數已達到上限，隊列已滿，則調用構造參數中傳入的拒絕策略
        reject(command);
}複製代碼

下面再看在上述代碼中調用的addWorker方法的源代碼實現及解析：

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
    // 這裏有一段基於CAS+死循環實現的關於線程池狀態，線程數量的校驗與更新邏輯就先忽略了，重點看主流程。
    //...

    boolean workerStarted = false;
    boolean workerAdded = false;
    Worker w = null;
    try {
         // 把指定任務做爲參數新建一個worker線程
        w = new Worker(firstTask);
        // 這裏是重點w.thread是經過線程池構造函數參數threadFactory生成的woker對象
        // 也就是說這個變量t就是表明woker線程。絕對不是用戶提交的線程任務firstTask。
        final Thread t = w.thread;
        if (t != null) {
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
                // 加鎖以後仍舊是判斷線程池狀態等一些校驗邏輯。
                int rs = runStateOf(ctl.get());
                if (rs < SHUTDOWN ||
                    (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                    if (t.isAlive()) 
                        throw new IllegalThreadStateException();
                    // 把新建的woker線程放入集合保存，這裏使用的是HashSet
                    workers.add(w);
                    int s = workers.size();
                    if (s > largestPoolSize)
                        largestPoolSize = s;
                    workerAdded = true;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
            if (workerAdded) {
                // 而後啓動woker線程
                 // 該變量t表明woker線程，會調用woker的run方法
                t.start();
                workerStarted = true;
            }
        }
    } finally {
        if (! workerStarted)
            // 若是woker啓動失敗，則進行一些善後工做，好比說修改當前woker數量等
            addWorkerFailed(w);
    }
    return workerStarted;
}複製代碼

addWorker方法主要作的工做就是新建一個Woker線程，加入到woker集合中。在上述方法中會調用到Worker類的run方法，並最終執行了runWorker方法。

// Woker類實現了Runnable接口
public void run() {
    runWorker(this);
}

final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    // task就是Woker構造函數入參指定的任務，即用戶提交的任務
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    w.unlock(); 
    boolean completedAbruptly = true;
    try {
        //通常狀況下，task都不會爲空（特殊狀況上面註釋中也說明了），所以會直接進入循環體中
        //這裏getTask方法是要重點說明的，它的實現跟咱們構造參數設置存活時間有關
        //咱們都知道構造參數設置的時間表明瞭線程池中的線程，即woker線程的存活時間，若是到期則回收woker線程，這個邏輯的實現就在getTask中。
        //來不及執行的任務，線程池會放入一個阻塞隊列，getTask方法就是去阻塞隊列中取任務，用戶設置的存活時間，就是
        //從這個阻塞隊列中取任務等待的最大時間，若是getTask返回null，意思就是woker等待了指定時間仍然沒有
        //取到任務，此時就會跳過循環體，進入woker線程的銷燬邏輯。
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            w.lock();
            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                 (Thread.interrupted() &&
                  runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                !wt.isInterrupted())
                wt.interrupt();
            try {
                //該方法是個空的實現，若是有須要用戶能夠本身繼承該類進行實現
                beforeExecute(wt, task);
                Throwable thrown = null;
                try {
                    //真正的任務執行邏輯
                    task.run();
                } catch (RuntimeException x) {
                    thrown = x; throw x;
                } catch (Error x) {
                    thrown = x; throw x;
                } catch (Throwable x) {
                    thrown = x; throw new Error(x);
                } finally {
                    //該方法是個空的實現，若是有須要用戶能夠本身繼承該類進行實現
                    afterExecute(task, thrown);
                }
            } finally {
                //這裏設爲null，也就是循環體再執行的時候會調用getTask方法
                task = null;
                w.completedTasks++;
                w.unlock();
            }
        }
        completedAbruptly = false;
    } finally {
        //當指定任務執行完成，阻塞隊列中也取不到可執行任務時，會進入這裏，作一些善後工做，好比在corePoolSize跟maximumPoolSize之間的woker會進行回收
        processWorkerExit(w, completedAbruptly);
    }
}複製代碼

woker線程的執行流程就是首先執行初始化時分配給的任務，執行完成之後會嘗試從阻塞隊列中獲取可執行的任務，若是指定時間內仍然沒有任務能夠執行，則進入銷燬邏輯。這裏只會回收corePoolSize與maximumPoolSize直接的那部分woker。

execute與submit的區別

執行任務除了可使用execute方法還可使用submit方法。它們的主要區別是：execute適用於不須要關注返回值的場景，submit方法適用於須要關注返回值的場景。

異常處理

當執行任務時發生異常，那麼該怎麼處理呢？首先看當Thread線程異常如何處理。

在任務中經過try...catch是能夠捕獲異常並進行處理的，以下代碼：

Thread t = new Thread(() -> {
    try {
        System.out.println(1 / 0);
    } catch (Exception e) {
        LOGGER.error(e.getMessage(), e);
    }
});
t.start();複製代碼

若是不少線程任務默認的異常處理機制都是相同的，能夠經過Thread類的UncaughtExceptionHandler來設置線程默認的異常處理機制。

實現UncaughtExceptionHandler接口，並調用Thread#setUncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler)方法。若是想設置爲全局默認異常處理機制，則可調用Thread#setDefaultUncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler)方法。

ThreadGroup默認提供了異常處理機制以下：

public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
    if (parent != null) {
        parent.uncaughtException(t, e);
    } else {
        Thread.UncaughtExceptionHandler ueh =
            Thread.getDefaultUncaughtExceptionHandler();
        if (ueh != null) {
            ueh.uncaughtException(t, e);
        } else if (!(e instanceof ThreadDeath)) {
            System.err.print("Exception in thread \""
                             + t.getName() + "\" ");
            e.printStackTrace(System.err);
        }
    }
}複製代碼

ThreadPoolExecutor的異常處理機制與Thread是同樣的。同時，ThreadPoolExecutor提供了uncaughtExceptionHandler方法來設置異常處理。以下示例：

public class ThreadPool {

    public static void main(String[] args) {
        ThreadFactory namedThreadFactory = new ThreadFactoryBuilder()
                .setNameFormat("demo-pool-%d")
                .setUncaughtExceptionHandler(new LogUncaughtExceptionHandler())
                .build();

        ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(5, 200,
                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>(1024), namedThreadFactory, new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

        pool.execute(() -> {
            throw new RuntimeException("測試異常");
        });

        pool.shutdown();
    }

    static class  LogUncaughtExceptionHandler implements Thread.UncaughtExceptionHandler {

        @Override
        public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
            System.out.println("打印LogUncaughtExceptionHandler中得到的異常信息:" + e.getMessage());
        }
    }
}複製代碼

但須要注意的是使用UncaughtExceptionHandler的方法只適用於execute方法執行的任務，而對submit方法是無效。submit執行的任務，能夠經過返回的Future對象的get方法接收拋出的異常，再進行處理。這也算是execute方法與submit方法的差異之一。

線程池中常見的隊列

線程池有如下工做隊列：

ArrayBlockingQueue：有界隊列，是一個用數組實現的有界阻塞隊列，按FIFO排序量。
LinkedBlockingQueue：可設置容量隊列，基於鏈表結構的阻塞隊列，按FIFO排序任務，容量能夠選擇進行設置，不設置的話，將是一個無邊界的阻塞隊列，最大長度爲Integer.MAX_VALUE，吞吐量一般要高於ArrayBlockingQuene；newFixedThreadPool線程池使用了這個隊列。
DelayQueue：延遲隊列，是一個任務定時週期的延遲執行的隊列。根據指定的執行時間從小到大排序，不然根據插入到隊列的前後排序。newScheduledThreadPool線程池使用了這個隊列。
PriorityBlockingQueue：優先級隊列，是具備優先級的無界阻塞隊列。
SynchronousQueue：同步隊列，一個不存儲元素的阻塞隊列，每一個插入操做必須等到另外一個線程調用移除操做，不然插入操做一直處於阻塞狀態，吞吐量一般要高於LinkedBlockingQuene，newCachedThreadPool線程池使用了這個隊列。