如何开发Java中的线程池？

落日映苍穹つ 2023-09-24 20:26 30阅读 0赞

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。

github 地址

> [github.com/whx123/Java…][github.com_whx123_Java]

### 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：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
       BlockingQueue<Runnable> workQueue,
       ThreadFactory threadFactory,
       RejectedExecutionHandler handler) 
    复制代码

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： ####

![f3a41b682c634955a7f9ed98501cf9cb.jpeg][]

*  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
    
    ![0b40e36d0dce83f612b3666b88c4acfe.png][]
 *  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：

ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                threadPool.submit(() -> {
                    System.out.println("current thread name" + Thread.currentThread().getName());
                    Object object = null;
                    System.out.print("result## "+object.toString());
                });
            }
    
    复制代码

显然，这段代码会有异常，我们再来看看执行结果

![f05e4c8bbade2d2db61f1d47d5275c1d.png][]

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：

![b27b3867c26d78d5e960d08bc9c5eea4.png][]

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：

![af58f08f1b799f4277e4f2637b0c249b.png][]

//构造feature对象
      /**
         * @throws RejectedExecutionException {@inheritDoc}
         * @throws NullPointerException       {@inheritDoc}
         */
        public Future<?> submit(Runnable task) {
            if (task == null) throw new NullPointerException();
            RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
            execute(ftask);
            return ftask;
        }
         protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) {
            return new FutureTask<T>(runnable, value);
        }
         public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
            this.callable = Executors.callable(runnable, result);
            this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
        }
           public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
            if (task == null)
                throw new NullPointerException();
            return new RunnableAdapter<T>(task, result);
        }
        //线程池执行
         public void execute(Runnable command) {
            if (command == null)
                throw new NullPointerException();
                   int c = ctl.get();
            if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
                if (addWorker(command, true))
                    return;
                c = ctl.get();
            }
            if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
                int recheck = ctl.get();
                if (! isRunning(recheck) && remove(command))
                    reject(command);
                else if (workerCountOf(recheck) == 0)
                    addWorker(null, false);
            }
            else if (!addWorker(command, false))
                reject(command);
        }
        //捕获异常
        public void run() {
            if (state != NEW ||
                !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                             null, Thread.currentThread()))
                return;
            try {
                Callable<V> c = callable;
                if (c != null && state == NEW) {
                    V result;
                    boolean ran;
                    try {
                        result = c.call();
                        ran = true;
                    } catch (Throwable ex) {
                        result = null;
                        ran = false;
                        setException(ex);
                    }
                    if (ran)
                        set(result);
                }
            } finally {
                // runner must be non-null until state is settled to
                // prevent concurrent calls to run()
                runner = null;
                // state must be re-read after nulling runner to prevent
                // leaked interrupts
                int s = state;
                if (s >= INTERRUPTING)
                    handlePossibleCancellationInterrupt(s);
            }
    复制代码

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：

![1b155d537e6b6ee58543250103430d77.png][]

#### 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：

ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(1, r -> {
                Thread t = new Thread(r);
                t.setUncaughtExceptionHandler(
                        (t1, e) -> {
                            System.out.println(t1.getName() + "线程抛出的异常"+e);
                        });
                return t;
               });
            threadPool.execute(()->{
                Object object = null;
                System.out.print("result## " + object.toString());
            });
    复制代码

运行结果：

![ca5153e3c083baa53c5e6a640130a2ba.png][]

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：

class ExtendedExecutor extends ThreadPoolExecutor {
        // 这可是jdk文档里面给的例子。。
        protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
            super.afterExecute(r, t);
            if (t == null && r instanceof Future<?>) {
                try {
                    Object result = ((Future<?>) r).get();
                } catch (CancellationException ce) {
                    t = ce;
                } catch (ExecutionException ee) {
                    t = ee.getCause();
                } catch (InterruptedException ie) {
                    Thread.currentThread().interrupt(); // ignore/reset
                }
            }
            if (t != null)
                System.out.println(t);
        }
    }}
    复制代码

#### 因此，被问到线程池异常处理，如何回答？ ####

![a8f9114208a37c11a7e7884f69f2e63b.png][]

### 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 ####

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) {
            return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                          0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                          new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
                                          threadFactory);
        }
    复制代码

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：

![83f8a929d76316d7069a3e65d28a03e4.png][]

*  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

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
                        for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
                            executor.execute(()->{
                                try {
                                    Thread.sleep(10000);
                                } catch (InterruptedException e) {
                                    //do nothing
                                }
                });
    复制代码

IDE指定JVM参数：-Xmx8m -Xms8m :

![121a2019982ae042ebbfdf2636e00089.png][]

run以上代码，会抛出OOM：

![132feb74e192d79be5fbd30bd0385fa2.png][]

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 ####

public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {
            return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                          60L, TimeUnit.SECONDS,
                                          new SynchronousQueue<Runnable>(),
                                          threadFactory);
        }
    复制代码

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

![5ec22aaba1cd09b5e5728dbf099188e8.png][]

*  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

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                executor.execute(() -> {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在执行");
                });
            }
    复制代码

运行结果：

![d078acecef994725c1e11e18a89c905c.png][]

使用场景

用于并发执行大量短期的小任务。

#### newSingleThreadExecutor ####

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
            return new FinalizableDelegatedExecutorService
                (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                        0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                        new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
                                        threadFactory));
        }
    复制代码

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

![bfd642c2d38bec7c66da546eaa40cb41.png][]

*  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

ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
                    for (int i = 0; i < 5; i++) {
                        executor.execute(() -> {
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在执行");
                        });
            }
    复制代码

运行结果：

![45d18a617a11975e15d4241837554b95.png][]

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 ####

public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
            super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
                  new DelayedWorkQueue());
        }
    复制代码

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

/**
        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
        */
        ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(1);
            scheduledExecutorService.scheduleWithFixedDelay(()->{
                System.out.println("current Time" + System.currentTimeMillis());
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在执行");
            }, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);
    复制代码

运行结果：

![6b15a8723d8ade25aaed3411610a05cb.png][]

/**
        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) 
        */
        ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(1);
                scheduledExecutorService.scheduleAtFixedRate(()->{
                System.out.println("current Time" + System.currentTimeMillis());
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在执行");
            }, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);;
    复制代码

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。

//线程池状态
       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;
    复制代码

#### 线程池各个状态切换图： ####

![8cbf80b48a1131491ff529c4267d0ebf.png][]

**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

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