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面试必备:Java线程池解析原创

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前言

掌握线程池是后端程序员的基本要求,相信大家求职面试过程中,几乎都会被问到有关于线程池的问题。我在网上搜集了几道经典的线程池面试题,并以此为切入点,谈谈我对线程池的理解。如果有哪里理解不正确,非常希望大家指出,接下来大家一起分析学习吧。

经典面试题

  • 面试问题1:Java的线程池说一下,各个参数的作用,如何进行的?

  • 面试问题2:按线程池内部机制,当提交新任务时,有哪些异常要考虑。

  • 面试问题3:线程池都有哪几种工作队列?

  • 面试问题4:使用无界队列的线程池会导致内存飙升吗?

  • 面试问题5:说说几种常见的线程池及使用场景?

线程池概念

线程池: 简单理解,它就是一个管理线程的池子。

  • 它帮我们管理线程,避免增加创建线程和销毁线程的资源损耗。因为线程其实也是一个对象,创建一个对象,需要经过类加载过程,销毁一个对象,需要走GC垃圾回收流程,都是需要资源开销的。

  • 提高响应速度。 如果任务到达了,相对于从线程池拿线程,重新去创建一条线程执行,速度肯定慢很多。

  • 重复利用。 线程用完,再放回池子,可以达到重复利用的效果,节省资源。

线程池的创建

线程池可以通过ThreadPoolExecutor来创建,我们来看一下它的构造函数:

  1. public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,

  2. BlockingQueue<Runnable> workQueue,

  3. ThreadFactory threadFactory,

  4. RejectedExecutionHandler handler)

几个核心参数的作用:

  • corePoolSize: 线程池核心线程数最大值

  • maximumPoolSize: 线程池最大线程数大小

  • keepAliveTime: 线程池中非核心线程空闲的存活时间大小

  • unit: 线程空闲存活时间单位

  • workQueue: 存放任务的阻塞队列

  • threadFactory: 用于设置创建线程的工厂,可以给创建的线程设置有意义的名字,可方便排查问题。

  • handler: 线城池的饱和策略事件,主要有四种类型。

任务执行

线程池执行流程,即对应execute()方法:

  • 提交一个任务,线程池里存活的核心线程数小于线程数corePoolSize时,线程池会创建一个核心线程去处理提交的任务。

  • 如果线程池核心线程数已满,即线程数已经等于corePoolSize,一个新提交的任务,会被放进任务队列workQueue排队等待执行。

  • 当线程池里面存活的线程数已经等于corePoolSize了,并且任务队列workQueue也满,判断线程数是否达到maximumPoolSize,即最大线程数是否已满,如果没到达,创建一个非核心线程执行提交的任务。

  • 如果当前的线程数达到了maximumPoolSize,还有新的任务过来的话,直接采用拒绝策略处理。

四种拒绝策略

  • AbortPolicy(抛出一个异常,默认的)

  • DiscardPolicy(直接丢弃任务)

  • DiscardOldestPolicy(丢弃队列里最老的任务,将当前这个任务继续提交给线程池)

  • CallerRunsPolicy(交给线程池调用所在的线程进行处理)

为了形象描述线程池执行,我打个比喻:

  • 核心线程比作公司正式员工

  • 非核心线程比作外包员工

  • 阻塞队列比作需求池

  • 提交任务比作提需求 

  • 当产品提个需求,正式员工(核心线程)先接需求(执行任务)

  • 如果正式员工都有需求在做,即核心线程数已满),产品就把需求先放需求池(阻塞队列)。

  • 如果需求池(阻塞队列)也满了,但是这时候产品继续提需求,怎么办呢?那就请外包(非核心线程)来做。

  • 如果所有员工(最大线程数也满了)都有需求在做了,那就执行拒绝策略。

  • 如果外包员工把需求做完了,它经过一段(keepAliveTime)空闲时间,就离开公司了。

好的,到这里。面试问题1->Java的线程池说一下,各个参数的作用,如何进行的? 是否已经迎刃而解啦, 我觉得这个问题,回答:线程池构造函数的corePoolSize,maximumPoolSize等参数,并且能描述清楚线程池的执行流程 就差不多啦。

线程池异常处理

在使用线程池处理任务的时候,任务代码可能抛出RuntimeException,抛出异常后,线程池可能捕获它,也可能创建一个新的线程来代替异常的线程,我们可能无法感知任务出现了异常,因此我们需要考虑线程池异常情况。

当提交新任务时,异常如何处理?

我们先来看一段代码:

  1. ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);

  2. for (int i = 0; i < 5; i++) {

  3. threadPool.submit(() -> {

  4. System.out.println("current thread name" + Thread.currentThread().getName());

  5. Object object = null;

  6. System.out.print("result## "+object.toString());

  7. });

  8. }

显然,这段代码会有异常,我们再来看看执行结果

虽然没有结果输出,但是没有抛出异常,所以我们无法感知任务出现了异常,所以需要添加try/catch。如下图:OK,线程的异常处理,我们可以直接try...catch捕获。

线程池exec.submit(runnable)的执行流程

通过debug上面有异常的submit方法(建议大家也去debug看一下,图上的每个方法内部是我打断点的地方),处理有异常submit方法的主要执行流程图:

  1. //构造feature对象

  2. /**

  3. * @throws RejectedExecutionException {@inheritDoc}

  4. * @throws NullPointerException {@inheritDoc}

  5. */

  6. public Future<?> submit(Runnable task) {

  7. if (task == null) throw new NullPointerException();

  8. RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);

  9. execute(ftask);

  10. return ftask;

  11. }

  12. protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) {

  13. return new FutureTask<T>(runnable, value);

  14. }

  15. public FutureTask(Runnable runnable, V result) {

  16. this.callable = Executors.callable(runnable, result);

  17. this.state = NEW; // ensure visibility of callable

  18. }

  19. public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {

  20. if (task == null)

  21. throw new NullPointerException();

  22. return new RunnableAdapter<T>(task, result);

  23. }

  24. //线程池执行

  25. public void execute(Runnable command) {

  26. if (command == null)

  27. throw new NullPointerException();

  28. int c = ctl.get();

  29. if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {

  30. if (addWorker(command, true))

  31. return;

  32. c = ctl.get();

  33. }

  34. if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {

  35. int recheck = ctl.get();

  36. if (! isRunning(recheck) && remove(command))

  37. reject(command);

  38. else if (workerCountOf(recheck) == 0)

  39. addWorker(null, false);

  40. }

  41. else if (!addWorker(command, false))

  42. reject(command);

  43. }

  44. //捕获异常

  45. public void run() {

  46. if (state != NEW ||

  47. !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,

  48. null, Thread.currentThread()))

  49. return;

  50. try {

  51. Callable<V> c = callable;

  52. if (c != null && state == NEW) {

  53. V result;

  54. boolean ran;

  55. try {

  56. result = c.call();

  57. ran = true;

  58. } catch (Throwable ex) {

  59. result = null;

  60. ran = false;

  61. setException(ex);

  62. }

  63. if (ran)

  64. set(result);

  65. }

  66. } finally {

  67. // runner must be non-null until state is settled to

  68. // prevent concurrent calls to run()

  69. runner = null;

  70. // state must be re-read after nulling runner to prevent

  71. // leaked interrupts

  72. int s = state;

  73. if (s >= INTERRUPTING)

  74. handlePossibleCancellationInterrupt(s);

  75. }

通过以上分析,submit执行的任务,可以通过Future对象的get方法接收抛出的异常,再进行处理。我们再通过一个demo,看一下Future对象的get方法处理异常的姿势,如下图:

其他两种处理线程池异常方案

除了以上1.在任务代码try/catch捕获异常,2.通过Future对象的get方法接收抛出的异常,再处理两种方案外,还有以上两种方案:

3.为工作者线程设置UncaughtExceptionHandler,在uncaughtException方法中处理异常

我们直接看这样实现的正确姿势:

  1. ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(1, r -> {

  2. Thread t = new Thread(r);

  3. t.setUncaughtExceptionHandler(

  4. (t1, e) -> {

  5. System.out.println(t1.getName() + "线程抛出的异常"+e);

  6. });

  7. return t;

  8. });

  9. threadPool.execute(()->{

  10. Object object = null;

  11. System.out.print("result## " + object.toString());

  12. });

运行结果:

4.重写ThreadPoolExecutor的afterExecute方法,处理传递的异常引用

这是jdk文档的一个demo:

  1. class ExtendedExecutor extends ThreadPoolExecutor {

  2. // 这可是jdk文档里面给的例子。。

  3. protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {

  4. super.afterExecute(r, t);

  5. if (t == null && r instanceof Future<?>) {

  6. try {

  7. Object result = ((Future<?>) r).get();

  8. } catch (CancellationException ce) {

  9. t = ce;

  10. } catch (ExecutionException ee) {

  11. t = ee.getCause();

  12. } catch (InterruptedException ie) {

  13. Thread.currentThread().interrupt(); // ignore/reset

  14. }

  15. }

  16. if (t != null)

  17. System.out.println(t);

  18. }

  19. }}

因此,被问到线程池异常处理,如何回答?

线程池的工作队列

线程池都有哪几种工作队列?

  • ArrayBlockingQueue

  • LinkedBlockingQueue

  • DelayQueue

  • PriorityBlockingQueue

  • SynchronousQueue

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue(有界队列)是一个用数组实现的有界阻塞队列,按FIFO排序量。

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue(可设置容量队列)基于链表结构的阻塞队列,按FIFO排序任务,容量可以选择进行设置,不设置的话,将是一个无边界的阻塞队列,最大长度为Integer.MAX_VALUE,吞吐量通常要高于ArrayBlockingQuene;newFixedThreadPool线程池使用了这个队列

DelayQueue

DelayQueue(延迟队列)是一个任务定时周期的延迟执行的队列。根据指定的执行时间从小到大排序,否则根据插入到队列的先后排序。newScheduledThreadPool线程池使用了这个队列。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue(优先级队列)是具有优先级的无界阻塞队列;

SynchronousQueue

SynchronousQueue(同步队列)一个不存储元素的阻塞队列,每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作,否则插入操作一直处于阻塞状态,吞吐量通常要高于LinkedBlockingQuene,newCachedThreadPool线程池使用了这个队列。

针对面试题:线程池都有哪几种工作队列? 我觉得,回答以上几种ArrayBlockingQueue,LinkedBlockingQueue,SynchronousQueue等,说出它们的特点,并结合使用到对应队列的常用线程池(如newFixedThreadPool线程池使用LinkedBlockingQueue),进行展开阐述, 就可以啦。

几种常用的线程池

  • newFixedThreadPool (固定数目线程的线程池)

  • newCachedThreadPool(可缓存线程的线程池)

  • newSingleThreadExecutor(单线程的线程池)

  • newScheduledThreadPool(定时及周期执行的线程池)

newFixedThreadPool

  1. public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {

  2. return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,

  3. 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,

  4. new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),

  5. threadFactory);

  6. }

线程池特点:

  • 核心线程数和最大线程数大小一样

  • 没有所谓的非空闲时间,即keepAliveTime为0

  • 阻塞队列为无界队列LinkedBlockingQueue

工作机制:

  • 提交任务

  • 如果线程数少于核心线程,创建核心线程执行任务

  • 如果线程数等于核心线程,把任务添加到LinkedBlockingQueue阻塞队列

  • 如果线程执行完任务,去阻塞队列取任务,继续执行。

实例代码

  1. ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);

  2. for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {

  3. executor.execute(()->{

  4. try {

  5. Thread.sleep(10000);

  6. } catch (InterruptedException e) {

  7. //do nothing

  8. }

  9. });

IDE指定JVM参数:-Xmx8m -Xms8m :

run以上代码,会抛出OOM:

因此,面试题:使用无界队列的线程池会导致内存飙升吗?

答案 :会的,newFixedThreadPool使用了无界的阻塞队列LinkedBlockingQueue,如果线程获取一个任务后,任务的执行时间比较长(比如,上面demo设置了10秒),会导致队列的任务越积越多,导致机器内存使用不停飙升, 最终导致OOM。

使用场景

FixedThreadPool 适用于处理CPU密集型的任务,确保CPU在长期被工作线程使用的情况下,尽可能的少的分配线程,即适用执行长期的任务。

newCachedThreadPool

  1. public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {

  2. return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,

  3. 60L, TimeUnit.SECONDS,

  4. new SynchronousQueue<Runnable>(),

  5. threadFactory);

  6. }

线程池特点:

  • 核心线程数为0

  • 最大线程数为Integer.MAX_VALUE

  • 阻塞队列是SynchronousQueue

  • 非核心线程空闲存活时间为60秒

当提交任务的速度大于处理任务的速度时,每次提交一个任务,就必然会创建一个线程。极端情况下会创建过多的线程,耗尽 CPU 和内存资源。由于空闲 60 秒的线程会被终止,长时间保持空闲的 CachedThreadPool 不会占用任何资源。

工作机制

  • 提交任务

  • 因为没有核心线程,所以任务直接加到SynchronousQueue队列。

  • 判断是否有空闲线程,如果有,就去取出任务执行。

  • 如果没有空闲线程,就新建一个线程执行。

  • 执行完任务的线程,还可以存活60秒,如果在这期间,接到任务,可以继续活下去;否则,被销毁。

实例代码

  1. ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

  2. for (int i = 0; i < 5; i++) {

  3. executor.execute(() -> {

  4. System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在执行");

  5. });

  6. }

运行结果:

使用场景

用于并发执行大量短期的小任务。

newSingleThreadExecutor

  1. public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory) {

  2. return new FinalizableDelegatedExecutorService

  3. (new ThreadPoolExecutor(1, 1,

  4. 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,

  5. new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),

  6. threadFactory));

  7. }

线程池特点

  • 核心线程数为1

  • 最大线程数也为1

  • 阻塞队列是LinkedBlockingQueue

  • keepAliveTime为0

工作机制

  • 提交任务

  • 线程池是否有一条线程在,如果没有,新建线程执行任务

  • 如果有,讲任务加到阻塞队列

  • 当前的唯一线程,从队列取任务,执行完一个,再继续取,一个人(一条线程)夜以继日地干活。

实例代码

  1. ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();

  2. for (int i = 0; i < 5; i++) {

  3. executor.execute(() -> {

  4. System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在执行");

  5. });

  6. }

运行结果:

使用场景

适用于串行执行任务的场景,一个任务一个任务地执行。

newScheduledThreadPool

  1. public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {

  2. super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,

  3. new DelayedWorkQueue());

  4. }

线程池特点

  • 最大线程数为Integer.MAX_VALUE

  • 阻塞队列是DelayedWorkQueue

  • keepAliveTime为0

  • scheduleAtFixedRate() :按某种速率周期执行

  • scheduleWithFixedDelay():在某个延迟后执行

工作机制

  • 添加一个任务

  • 线程池中的线程从 DelayQueue 中取任务

  • 线程从 DelayQueue 中获取 time 大于等于当前时间的task

  • 执行完后修改这个 task 的 time 为下次被执行的时间

  • 这个 task 放回DelayQueue队列中

实例代码

  1. /**

  2. 创建一个给定初始延迟的间隔性的任务,之后的下次执行时间是上一次任务从执行到结束所需要的时间+* 给定的间隔时间

  3. */

  4. ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(1);

  5. scheduledExecutorService.scheduleWithFixedDelay(()->{

  6. System.out.println("current Time" + System.currentTimeMillis());

  7. System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在执行");

  8. }, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);

运行结果:

  1. /**

  2. 创建一个给定初始延迟的间隔性的任务,之后的每次任务执行时间为 初始延迟 + N * delay(间隔)

  3. */

  4. ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(1);

  5. scheduledExecutorService.scheduleAtFixedRate(()->{

  6. System.out.println("current Time" + System.currentTimeMillis());

  7. System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在执行");

  8. }, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);;

使用场景

周期性执行任务的场景,需要限制线程数量的场景

回到面试题:说说几种常见的线程池及使用场景?

回答这四种经典线程池 :newFixedThreadPool,newSingleThreadExecutor,newCachedThreadPool,newScheduledThreadPool,分线程池特点,工作机制,使用场景分开描述,再分析可能存在的问题,比如newFixedThreadPool内存飙升问题 即可

线程池状态

线程池有这几个状态:RUNNING,SHUTDOWN,STOP,TIDYING,TERMINATED。

  1. //线程池状态

  2. private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;

  3. private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;

  4. private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;

  5. private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;

  6. private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;

线程池各个状态切换图:

RUNNING

  • 该状态的线程池会接收新任务,并处理阻塞队列中的任务;

  • 调用线程池的shutdown()方法,可以切换到SHUTDOWN状态;

  • 调用线程池的shutdownNow()方法,可以切换到STOP状态;

SHUTDOWN

  • 该状态的线程池不会接收新任务,但会处理阻塞队列中的任务;

  • 队列为空,并且线程池中执行的任务也为空,进入TIDYING状态;

STOP

  • 该状态的线程不会接收新任务,也不会处理阻塞队列中的任务,而且会中断正在运行的任务;

  • 线程池中执行的任务为空,进入TIDYING状态;

TIDYING

  • 该状态表明所有的任务已经运行终止,记录的任务数量为0。

  • terminated()执行完毕,进入TERMINATED状态

TERMINATED

  • 该状态表示线程池彻底终止

参考与感谢

  • Java线程池异常处理方案

  • Java线程池 

  • 关于线程池的面试题 

  • 线程池的五种状态

  • 深入分析java线程池的实现原理

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捡田螺的小男孩

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