Java线程池全面解析之面试必备

我不是女神ヾ 2023-10-07 21:31 25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。

> 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。

1.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。
    2.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。
    3.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)

**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：**

![图片][7e935bb94e3d41ad8a9fa1e17171056d.png]

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

![图片][9dd692d9bb604ebdb8df4507f487fdf9.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：  
![在这里插入图片描述][357f1df1105342e9b88cf68968bd1ce0.png]

显然，这段代码会有异常，我们再来看看执行结果

![图片][3105dca788ff4256bc4c7d8319ac2cff.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：![在这里插入图片描述][4b19e6be43e64338bdb2038395770429.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：

![图片][04d4516066404586bb5bcab058347bc3.png]

![在这里插入图片描述][a7ca5d22a4a0498989c4c83186dd8a14.png]  
![在这里插入图片描述][b10b80ca615841a4aeccd0a8f7919638.png]

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：

![图片][3d347e7e057c4b02a81d51fe34fbf00d.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，还有以下两种方案：

> 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：

![在这里插入图片描述][8f4d6f72bcb143b1810490619a8f0536.png]

运行结果：![图片][994494e58b1a4ca48d2f52f304998e62.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：

![在这里插入图片描述][9bb3b7c520344960b12aaa97af980256.png]

**因此，被问到线程池异常处理，如何回答？**

![图片][e26eedaa8029444ba28205dd2b07bbff.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);
    }

**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：**

![图片][b470b0343f544c6d89f8ee61cd1c1dc3.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**  
![在这里插入图片描述][a0001250890d46368b4c12d7492f3577.png]

IDE指定JVM参数：-Xmx8m -Xms8m :

![图片][f8509242b16c4b6e977b2e3e4510b247.png]

run以上代码，会抛出OOM：

![图片][185ff16cba664f4d8b269e704e738bee.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**  
![在这里插入图片描述][022c42b2802b4771a01d91f9fc32f81d.png]

> 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**

![在这里插入图片描述][9e1eb7f327134f3b9c93bd1e5ece29b7.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**  
![在这里插入图片描述][e4294c19c6984377a7bf04dd1a2360d4.png]

运行结果：

![图片][b7462fde76844740bbffb322b109f17f.png]

**使用场景**

用于并发执行大量短期的小任务。

> newSingleThreadExecutor

![在这里插入图片描述][5620ee6627d74147abe831c11e12721e.png]

**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**

![图片][2249437e5427431f834f64901ecddb6c.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**  
![在这里插入图片描述][1eaceb40c7b44c5da33934efb2d3be8d.png]

运行结果：

![在这里插入图片描述][ff554a46ada44445b30b26dad4e5cc21.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**  
![在这里插入图片描述][ccebe100c4d94bddb426c53c42fb4e7a.png]

**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**  
![在这里插入图片描述][db7e9ea2ff7c40e99f600e98527377ad.png]

运行结果：

![在这里插入图片描述][fcd8ce2cd2cb401d988119f5b97be27d.png]  
![在这里插入图片描述][cf769a55fdc54091b1c1265746a6d636.png]

**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

**线程池状态：RUNNING,SHUTDOWN,STOP,TIDYING,TERMINATED。**

![在这里插入图片描述][57c77a84242b40e9834f95ecaa3c2496.png]

**线程池各个状态切换图：**

![图片][ecef7bd3ba954871b9ebeb4cf64e7955.png]

![在这里插入图片描述][170311736ca1488fa077eea1d9258f61.png]

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