面試必備：Java線程池解析

本文轉載自查看原文 2019-09-03 17:41 4118 面試/ java/ 線程池

前言

掌握線程池是后端程序員的基本要求，相信大家求職面試過程中，幾乎都會被問到有關於線程池的問題。我在網上搜集了幾道經典的線程池面試題，並以此為切入點，談談我對線程池的理解。如果有哪里理解不正確，非常希望大家指出，接下來大家一起分析學習吧。

經典面試題

面試問題1：Java的線程池說一下，各個參數的作用，如何進行的?
面試問題2：按線程池內部機制，當提交新任務時，有哪些異常要考慮。
面試問題3：線程池都有哪幾種工作隊列？
面試問題4：使用無界隊列的線程池會導致內存飆升嗎？
面試問題5：說說幾種常見的線程池及使用場景?

線程池概念

線程池： 簡單理解，它就是一個管理線程的池子。

它幫我們管理線程，避免增加創建線程和銷毀線程的資源損耗。因為線程其實也是一個對象，創建一個對象，需要經過類加載過程，銷毀一個對象，需要走GC垃圾回收流程，都是需要資源開銷的。
提高響應速度。 如果任務到達了，相對於從線程池拿線程，重新去創建一條線程執行，速度肯定慢很多。
重復利用。 線程用完，再放回池子，可以達到重復利用的效果，節省資源。

線程池的創建

線程池可以通過ThreadPoolExecutor來創建，我們來看一下它的構造函數：

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

幾個核心參數的作用：

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閑的存活時間大小
unit： 線程空閑存活時間單位
workQueue： 存放任務的阻塞隊列
threadFactory： 用於設置創建線程的工廠，可以給創建的線程設置有意義的名字，可方便排查問題。
handler： 線城池的飽和策略事件，主要有四種類型。

任務執行

線程池執行流程，即對應execute()方法：

提交一個任務，線程池里存活的核心線程數小於線程數corePoolSize時，線程池會創建一個核心線程去處理提交的任務。
如果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。
當線程池里面存活的線程數已經等於corePoolSize了,並且任務隊列workQueue也滿，判斷線程數是否達到maximumPoolSize，即最大線程數是否已滿，如果沒到達，創建一個非核心線程執行提交的任務。
如果當前的線程數達到了maximumPoolSize，還有新的任務過來的話，直接采用拒絕策略處理。

四種拒絕策略

AbortPolicy(拋出一個異常，默認的)
DiscardPolicy(直接丟棄任務)
DiscardOldestPolicy（丟棄隊列里最老的任務，將當前這個任務繼續提交給線程池）
CallerRunsPolicy（交給線程池調用所在的線程進行處理)

為了形象描述線程池執行，我打個比喻：

核心線程比作公司正式員工
非核心線程比作外包員工
阻塞隊列比作需求池
提交任務比作提需求
當產品提個需求，正式員工（核心線程）先接需求（執行任務）
如果正式員工都有需求在做，即核心線程數已滿），產品就把需求先放需求池（阻塞隊列）。
如果需求池(阻塞隊列)也滿了，但是這時候產品繼續提需求,怎么辦呢？那就請外包（非核心線程）來做。
如果所有員工（最大線程數也滿了）都有需求在做了，那就執行拒絕策略。
如果外包員工把需求做完了，它經過一段（keepAliveTime）空閑時間，就離開公司了。

好的，到這里。面試問題1->Java的線程池說一下，各個參數的作用，如何進行的? 是否已經迎刃而解啦，
我覺得這個問題，回答：線程池構造函數的corePoolSize,maximumPoolSize等參數，並且能描述清楚線程池的執行流程 就差不多啦。

線程池異常處理

在使用線程池處理任務的時候，任務代碼可能拋出RuntimeException，拋出異常后，線程池可能捕獲它，也可能創建一個新的線程來代替異常的線程，我們可能無法感知任務出現了異常，因此我們需要考慮線程池異常情況。

當提交新任務時，異常如何處理?

我們先來看一段代碼：

       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());
            });
        }

顯然，這段代碼會有異常，我們再來看看執行結果

雖然沒有結果輸出，但是沒有拋出異常，所以我們無法感知任務出現了異常，所以需要添加try/catch。
如下圖：

OK，線程的異常處理，我們可以直接try...catch捕獲。

線程池exec.submit(runnable)的執行流程

通過debug上面有異常的submit方法（建議大家也去debug看一下,圖上的每個方法內部是我打斷點的地方），處理有異常submit方法的主要執行流程圖：

  //構造feature對象
  /**
     * @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);
    }
    //線程池執行
     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);
    }
    //捕獲異常
    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);
        }

通過以上分析，submit執行的任務，可以通過Future對象的get方法接收拋出的異常，再進行處理。
我們再通過一個demo，看一下Future對象的get方法處理異常的姿勢，如下圖：

其他兩種處理線程池異常方案

除了以上1.在任務代碼try/catch捕獲異常，2.通過Future對象的get方法接收拋出的異常，再處理兩種方案外，還有以上兩種方案：

3.為工作者線程設置UncaughtExceptionHandler，在uncaughtException方法中處理異常

我們直接看這樣實現的正確姿勢：

ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(1, r -> {
            Thread t = new Thread(r);
            t.setUncaughtExceptionHandler(
                    (t1, e) -> {
                        System.out.println(t1.getName() + "線程拋出的異常"+e);
                    });
            return t;
           });
        threadPool.execute(()->{
            Object object = null;
            System.out.print("result## " + object.toString());
        });

運行結果：

4.重寫ThreadPoolExecutor的afterExecute方法，處理傳遞的異常引用

這是jdk文檔的一個demo：

class ExtendedExecutor extends ThreadPoolExecutor {
    // 這可是jdk文檔里面給的例子。。
    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);
    }
}}

因此，被問到線程池異常處理，如何回答？

。

線程池的工作隊列

線程池都有哪幾種工作隊列？

ArrayBlockingQueue
LinkedBlockingQueue
DelayQueue
PriorityBlockingQueue
SynchronousQueue

ArrayBlockingQueue

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

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，容量可以選擇進行設置，不設置的話，將是一個無邊界的阻塞隊列，最大長度為Integer.MAX_VALUE，吞吐量通常要高於ArrayBlockingQuene；newFixedThreadPool線程池使用了這個隊列

DelayQueue

DelayQueue（延遲隊列）是一個任務定時周期的延遲執行的隊列。根據指定的執行時間從小到大排序，否則根據插入到隊列的先后排序。newScheduledThreadPool線程池使用了這個隊列。

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue（優先級隊列）是具有優先級的無界阻塞隊列；

SynchronousQueue

SynchronousQueue（同步隊列）一個不存儲元素的阻塞隊列，每個插入操作必須等到另一個線程調用移除操作，否則插入操作一直處於阻塞狀態，吞吐量通常要高於LinkedBlockingQuene，newCachedThreadPool線程池使用了這個隊列。

針對面試題：線程池都有哪幾種工作隊列？ 我覺得，回答以上幾種ArrayBlockingQueue，LinkedBlockingQueue，SynchronousQueue等，說出它們的特點，並結合使用到對應隊列的常用線程池(如newFixedThreadPool線程池使用LinkedBlockingQueue)，進行展開闡述，就可以啦。

幾種常用的線程池

newFixedThreadPool (固定數目線程的線程池)
newCachedThreadPool(可緩存線程的線程池)
newSingleThreadExecutor(單線程的線程池)
newScheduledThreadPool(定時及周期執行的線程池)

newFixedThreadPool

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

線程池特點：

核心線程數和最大線程數大小一樣
沒有所謂的非空閑時間，即keepAliveTime為0
阻塞隊列為無界隊列LinkedBlockingQueue

工作機制：

提交任務
如果線程數少於核心線程，創建核心線程執行任務
如果線程數等於核心線程，把任務添加到LinkedBlockingQueue阻塞隊列
如果線程執行完任務，去阻塞隊列取任務，繼續執行。

實例代碼

   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
                            }
            });

IDE指定JVM參數：-Xmx8m -Xms8m :

run以上代碼，會拋出OOM：

因此，面試題：使用無界隊列的線程池會導致內存飆升嗎？

答案：會的，newFixedThreadPool使用了無界的阻塞隊列LinkedBlockingQueue，如果線程獲取一個任務后，任務的執行時間比較長(比如，上面demo設置了10秒)，會導致隊列的任務越積越多，導致機器內存使用不停飆升，最終導致OOM。

使用場景

FixedThreadPool 適用於處理CPU密集型的任務，確保CPU在長期被工作線程使用的情況下，盡可能的少的分配線程，即適用執行長期的任務。

newCachedThreadPool

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

線程池特點：

核心線程數為0
最大線程數為Integer.MAX_VALUE
阻塞隊列是SynchronousQueue
非核心線程空閑存活時間為60秒

當提交任務的速度大於處理任務的速度時，每次提交一個任務，就必然會創建一個線程。極端情況下會創建過多的線程，耗盡 CPU 和內存資源。由於空閑 60 秒的線程會被終止，長時間保持空閑的 CachedThreadPool 不會占用任何資源。

工作機制

提交任務
因為沒有核心線程，所以任務直接加到SynchronousQueue隊列。
判斷是否有空閑線程，如果有，就去取出任務執行。
如果沒有空閑線程，就新建一個線程執行。
執行完任務的線程，還可以存活60秒，如果在這期間，接到任務，可以繼續活下去；否則，被銷毀。

實例代碼

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

運行結果：

使用場景

用於並發執行大量短期的小任務。

newSingleThreadExecutor

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

線程池特點

核心線程數為1
最大線程數也為1
阻塞隊列是LinkedBlockingQueue
keepAliveTime為0

工作機制

提交任務
線程池是否有一條線程在，如果沒有，新建線程執行任務
如果有，講任務加到阻塞隊列
當前的唯一線程，從隊列取任務，執行完一個，再繼續取，一個人（一條線程）夜以繼日地干活。

實例代碼

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

運行結果：

使用場景

適用於串行執行任務的場景，一個任務一個任務地執行。

newScheduledThreadPool

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

線程池特點

最大線程數為Integer.MAX_VALUE
阻塞隊列是DelayedWorkQueue
keepAliveTime為0
scheduleAtFixedRate() ：按某種速率周期執行
scheduleWithFixedDelay()：在某個延遲后執行

工作機制

添加一個任務
線程池中的線程從 DelayQueue 中取任務
線程從 DelayQueue 中獲取 time 大於等於當前時間的task
執行完后修改這個 task 的 time 為下次被執行的時間
這個 task 放回DelayQueue隊列中

實例代碼

    /**
    創建一個給定初始延遲的間隔性的任務，之后的下次執行時間是上一次任務從執行到結束所需要的時間+* 給定的間隔時間
    */
    ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(1);
        scheduledExecutorService.scheduleWithFixedDelay(()->{
            System.out.println("current Time" + System.currentTimeMillis());
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在執行");
        }, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);

運行結果：

    /**
    創建一個給定初始延遲的間隔性的任務，之后的每次任務執行時間為 初始延遲 + N * delay(間隔) 
    */
    ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(1);
            scheduledExecutorService.scheduleAtFixedRate(()->{
            System.out.println("current Time" + System.currentTimeMillis());
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在執行");
        }, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);;

使用場景

周期性執行任務的場景，需要限制線程數量的場景

回到面試題：說說幾種常見的線程池及使用場景？

回答這四種經典線程池：newFixedThreadPool，newSingleThreadExecutor，newCachedThreadPool，newScheduledThreadPool，分線程池特點，工作機制，使用場景分開描述，再分析可能存在的問題，比如newFixedThreadPool內存飆升問題即可

線程池狀態

線程池有這幾個狀態：RUNNING,SHUTDOWN,STOP,TIDYING,TERMINATED。

   //線程池狀態
   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;