面试必备：Java线程池解析

作者: Jay_Wei | 来源:发表于2019-07-15 13:42 被阅读2次

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：


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：

image

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

image

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());

            });

        }

显然，这段代码会有异常，我们再来看看执行结果

image

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：

image

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：

image


  //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);

        }

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：

image

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());

        });

运行结果：

image

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);

    }

}}

因此，被问到线程池异常处理，如何回答？

image

。

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);

    }

newFixedThreadPool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

newFixedThreadPool工作机制：

image

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。

newFixedThreadPool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

                            }

            });

IDE指定JVM参数：-Xmx8m -Xms8m :

image

run以上代码，会抛出OOM：

image

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);

    }

newCachedThreadPool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。

newCachedThreadPool工作机制

image

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。

newCachedThreadPool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");

            });

        }

运行结果：

image

newCachedThreadPool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));

    }

newSingleThreadExecutor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

newSingleThreadExecutor工作机制

image

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。

newSingleThreadExecutor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");

                    });

        }

运行结果：

image

newSingleThreadExecutor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());

    }

newScheduledThreadPool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

newScheduledThreadPool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

newScheduledThreadPool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);

运行结果：

image


    /**

    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);;

newScheduledThreadPool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;

线程池各个状态切换图：

image

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：https://www.jianshu.com/p/30e488f4e021
Java线程池 https://www.hollischuang.com/archives/2888
关于线程池的面试题 https://www.jianshu.com/p/9710b899e749
线程池的五种状态 https://blog.csdn.net/l_kanglin/article/details/57411851
深入分析java线程池的实现原理 https://www.jianshu.com/p/87bff5cc8d8c/

面试必备：Java线程池解析

前言

经典面试题

线程池概念

线程池的创建

任务执行

线程池执行流程，即对应execute()方法：

四种拒绝策略

为了形象描述线程池执行，我打个比喻：

线程池异常处理

当提交新任务时，异常如何处理?

线程池exec.submit(runnable)的执行流程

其他两种处理线程池异常方案

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

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

因此，被问到线程池异常处理，如何回答？

线程池的工作队列

ArrayBlockingQueue

LinkedBlockingQueue

DelayQueue

PriorityBlockingQueue

SynchronousQueue

几种常用的线程池

newFixedThreadPool

newFixedThreadPool线程池特点：

newFixedThreadPool工作机制：

newFixedThreadPool实例代码

使用场景

newCachedThreadPool

newCachedThreadPool线程池特点：

newCachedThreadPool工作机制

newCachedThreadPool实例代码

newCachedThreadPool使用场景

newSingleThreadExecutor

newSingleThreadExecutor线程池特点

newSingleThreadExecutor工作机制

newSingleThreadExecutor实例代码

newSingleThreadExecutor使用场景

newScheduledThreadPool

newScheduledThreadPool线程池特点

newScheduledThreadPool工作机制

newScheduledThreadPool实例代码

newScheduledThreadPool使用场景

线程池状态

线程池各个状态切换图：

参考与感谢

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