一个 JDK 线程池 BUG 引发的 GC 机制思考原创
前几天在帮同事排查生产一个线上偶发的线程池错误
逻辑很简单，线程池执行了一个带结果的异步任务。但是最近有偶发的报错：
java.util.concurrent.RejectedExecutionException: Task java.util.concurrent.FutureTask@a5acd19 rejected from java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor@30890a38[Terminated, pool size = 0, active threads = 0, queued tasks = 0, completed tasks = 0]
本文中的模拟代码已经问题都是在HotSpot java8 (1.8.0_221)版本下模拟&出现的
下面是模拟代码，通过Executors.newSingleThreadExecutor创建一个单线程的线程池，然后在调用方获取Future的结果：
public class ThreadPoolTest {
public static void main(String[] args) {
final ThreadPoolTest threadPoolTest = new ThreadPoolTest();
for (int i = 0; i < 8; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (true) {
Future<String> future = threadPoolTest.submit();
try {
String s = future.get();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
} catch (Error e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}).start();
}
//子线程不停gc，模拟偶发的gc
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (true) {
System.gc();
}
}
}).start();
}
/**
* 异步执行任务
* @return
*/
public Future<String> submit() {
//关键点，通过Executors.newSingleThreadExecutor创建一个单线程的线程池
ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
FutureTask<String> futureTask = new FutureTask(new Callable() {
@Override
public Object call() throws Exception {
Thread.sleep(50);
return System.currentTimeMillis() + "";
}
});
executorService.execute(futureTask);
return futureTask;
}
}
分析&疑问
第一个思考的问题是：线程池为什么关闭了，代码中并没有手动关闭的地方。看一下Executors.newSingleThreadExecotor的源码实现：
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
这里创建的实际上是一个FinalizableDelegatedExecutorService，这个包装类重写了finalize函数，也就是说这个类会在被GC回收之前，先执行线程池的shutdown方法。
问题来了，GC只会回收不可达（unreachable）的对象，在submit函数的栈帧未执行完出栈之前，executorService应该是可达的才对。
对于此问题，先抛出结论：
当对象仍存在于作用域（stack frame）时，finalize也可能会被执行
oracle jdk文档中有一段关于finalize的介绍：
A reachable object is any object that can be accessed in any potential continuing computation from any live thread.
Optimizing transformations of a program can be designed that reduce the number of objects that are reachable to be less than those which would naively be considered reachable. For example, a Java compiler or code generator may choose to set a variable or parameter that will no longer be used to null to cause the storage for such an object to be potentially reclaimable sooner.
大概意思是：可达对象(reachable object)是可以从任何活动线程的任何潜在的持续访问中的任何对象；java编译器或代码生成器可能会对不再访问的对象提前置为null，使得对象可以被提前回收。
也就是说，在jvm的优化下，可能会出现对象不可达之后被提前置空并回收的情况。
举个例子来验证一下（摘自https://stackoverflow.com/questions/24376768/can-java-finalize-an-object-when-it-is-still-in-scope）：
class A {
@Override protected void finalize() {
System.out.println(this + " was finalized!");
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
A a = new A();
System.out.println("Created " + a);
for (int i = 0; i < 1_000_000_000; i++) {
if (i % 1_000_00 == 0)
System.gc();
}
System.out.println("done.");
}
}
//打印结果
Created A@1be6f5c3
A@1be6f5c3 was finalized!//finalize方法输出
done.
从例子中可以看到，如果a在循环完成后已经不再使用了，则会出现先执行finalize的情况；虽然从对象作用域来说，方法没有执行完，栈帧并没有出栈，但是还是会被提前执行。
现在来增加一行代码，在最后一行打印对象a，让编译器/代码生成器认为后面有对象a的引用。
...
System.out.println(a);
//打印结果
Created A@1be6f5c3
done.
A@1be6f5c3
从结果上看，finalize方法都没有执行（因为main方法执行完成后进程直接结束了），更不会出现提前finalize的问题了
基于上面的测试结果，再测试一种情况，在循环之前先将对象a置为null，并且在最后打印保持对象a的引用
A a = new A();
System.out.println("Created " + a);
a = null;//手动置null
for (int i = 0; i < 1_000_000_000; i++) {
if (i % 1_000_00 == 0)
System.gc();
}
System.out.println("done.");
System.out.println(a);
//打印结果
Created A@1be6f5c3
A@1be6f5c3 was finalized!
done.
null
从结果上看，手动置null的话也会导致对象被提前回收，虽然在最后还有引用，但此时引用的也是null了。
现在再回到上面的线程池问题，根据上面介绍的机制，在分析没有引用之后，对象会被提前finalize
可在上述代码中，return之前明明是有引用的executorService.execute(futureTask)，为什么也会提前finalize呢？
猜测可能是由于在execute方法中，会调用threadPoolExecutor，会创建并启动一个新线程，这时会发生一次主动的线程切换，导致在活动线程中对象不可达
结合上面Oracle Jdk文档中的描述“可达对象(reachable object)是可以从任何活动线程的任何潜在的持续访问中的任何对象”，可以认为可能是因为一次显示的线程切换，对象被认为不可达了，导致线程池被提前finalize了
下面来验证一下猜想：
//入口函数
public class FinalizedTest {
public static void main(String[] args) {
final FinalizedTest finalizedTest = new FinalizedTest();
for (int i = 0; i < 8; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (true) {
TFutureTask future = finalizedTest.submit();
}
}
}).start();
}
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (true) {
System.gc();
}
}
}).start();
}
public TFutureTask submit(){
TExecutorService TExecutorService = Executors.create();
TExecutorService.execute();
return null;
}
}
//Executors.java，模拟juc的Executors
public class Executors {
/**
* 模拟Executors.createSingleExecutor
* @return
*/
public static TExecutorService create(){
return new FinalizableDelegatedTExecutorService(new TThreadPoolExecutor());
}
static class FinalizableDelegatedTExecutorService extends DelegatedTExecutorService {
FinalizableDelegatedTExecutorService(TExecutorService executor) {
super(executor);
}
/**
* 析构函数中执行shutdown，修改线程池状态
* @throws Throwable
*/
@Override
protected void finalize() throws Throwable {
super.shutdown();
}
}
static class DelegatedTExecutorService extends TExecutorService {
protected TExecutorService e;
public DelegatedTExecutorService(TExecutorService executor) {
this.e = executor;
}
@Override
public void execute() {
e.execute();
}
@Override
public void shutdown() {
e.shutdown();
}
}
}
//TThreadPoolExecutor.java，模拟juc的ThreadPoolExecutor
public class TThreadPoolExecutor extends TExecutorService {
/**
* 线程池状态，false：未关闭，true已关闭
*/
private AtomicBoolean ctl = new AtomicBoolean();
@Override
public void execute() {
//启动一个新线程，模拟ThreadPoolExecutor.execute
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
}
}).start();
//模拟ThreadPoolExecutor，启动新建线程后，循环检查线程池状态，验证是否会在finalize中shutdown
//如果线程池被提前shutdown，则抛出异常
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++) {
if(ctl.get()){
throw new RuntimeException("reject!!!["+ctl.get()+"]");
}
}
}
@Override
public void shutdown() {
ctl.compareAndSet(false,true);
}
}
执行若干时间后报错：
Exception in thread "Thread-1" java.lang.RuntimeException: reject!!![true]
从错误上来看，“线程池”同样被提前shutdown了，那么一定是由于新建线程导致的吗？
下面将新建线程修改为Thread.sleep测试一下：
//TThreadPoolExecutor.java，修改后的execute方法
public void execute() {
try {
//显式的sleep 1 ns，主动切换线程
TimeUnit.NANOSECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//模拟ThreadPoolExecutor，启动新建线程后，循环检查线程池状态，验证是否会在finalize中shutdown
//如果线程池被提前shutdown，则抛出异常
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++) {
if(ctl.get()){
throw new RuntimeException("reject!!!["+ctl.get()+"]");
}
}
}
执行结果一样是报错:
Exception in thread "Thread-3" java.lang.RuntimeException: reject!!![true]
由此可得，如果在执行的过程中，发生一次显式的线程切换，则会让编译器/代码生成器认为外层包装对象不可达
总结
虽然GC只会回收不可达GC ROOT的对象，但是在编译器（没有明确指出，也可能是JIT）/代码生成器的优化下，可能会出现对象提前置null，或者线程切换导致的“提前对象不可达”的情况。
所以如果想在finalize方法里做些事情的话，一定在最后显示的引用一下对象（toString/hashcode都可以），保持对象的可达性（reachable）
上面关于线程切换导致的对象不可达，没有官方文献的支持，只是个人一个测试结果，如有问题欢迎指出
综上所述，这种回收机制并不是JDK的bug，而算是一个优化策略，提前回收而已；但Executors.newSingleThreadExecutor的实现里通过finalize来自动关闭线程池的做法是有Bug的，在经过优化后可能会导致线程池的提前shutdown，从而导致异常。
线程池的这个问题，在JDK的论坛里也是一个公开但未解决状态的问题https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8145304。
不过在JDK11下，该问题已经被修复：
JUC Executors.FinalizableDelegatedExecutorService
public void execute(Runnable command) {
try {
e.execute(command);
} finally { reachabilityFence(this); }
}
