面试题-关于Java线程池一篇文章就够了

在Java面试中，线程池相关知识，虽不能说是必问提，但出现的频次也是非常高的。同时又鉴于公众号“程序新视界”的读者后台留言让写一篇关于Java线程池的文章，于是就有本篇内容，本篇将基于Java线程池的原理、实现以及相关源码进行讲解等。

什么是线程池

线程池是一种多线程处理形式，处理过程中将任务提交到线程池，任务的执行交由线程池来管理。

为了充分利用CPU多核资源，应用都会采用多线程并行/并发计算，最大限度的利用多核提升应用程序性能。

试想一下，如果每个请求都执行一遍创建线程、执行任务、销毁线程，那么对服务器资源将是一种浪费。在高并发的情况下，甚至会耗尽服务器资源。

线程池的主要作用有两个：不同请求之间重复利用线程，无需频繁的创建和销毁线程，降低系统开销和控制线程数量上限，避免创建过多的线程耗尽进程内存空间，同时减少线程上下文切换次数。

常见面试题

说说Java线程池的好处及实现的原理？
Java提供线程池各个参数的作用，如何进行的?
根据线程池内部机制，当提交新任务时，有哪些异常要考虑？
线程池都有哪几种工作队列？
使用无界队列的线程池会导致内存飙升吗？
说说几种常见的线程池及使用场景?

线程池的创建与使用

在JDK5版本中增加了内置线程池实现ThreadPoolExecutor，同时提供了Executors来创建不同类型的线程池。Executors中提供了以下常见的线程池创建方法：

newSingleThreadExecutor：一个单线程的线程池。如果因异常结束，会再创建一个新的，保证按照提交顺序执行。
newFixedThreadPool：创建固定大小的线程池。根据提交的任务逐个增加线程，直到最大值保持不变。如果因异常结束，会新创建一个线程补充。
newCachedThreadPool：创建一个可缓存的线程池。会根据任务自动新增或回收线程。
newScheduledThreadPool：支持定时以及周期性执行任务的需求。
newWorkStealingPool：JDK8新增，根据所需的并行层次来动态创建和关闭线程，通过使用多个队列减少竞争，底层使用ForkJoinPool来实现。优势在于可以充分利用多CPU，把一个任务拆分成多个“小任务”，放到多个处理器核心上并行执行；当多个“小任务”执行完成之后，再将这些执行结果合并起来即可。

虽然在JDK中提供Executors类来支持以上类型的线程池创建，但通常情况下不建议开发人员直接使用（见《阿里巴巴java开发规范》）。

线程池不允许使用Executors去创建，而是通过ThreadPoolExecutor的方式，这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险。

Executors部分方法的弊端：

newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor主要问题是堆积的请求处理队列可能会耗费非常大的内存，甚至OOM。
newCachedThreadPool和newScheduledThreadPool:主要问题是线程数最大数是Integer.MAX_VALUE，可能会创建数量非常多的线程，甚至OOM。

同时，阿里巴巴java开发规范中推荐了3种线程池创建方式。

方式一，引入commons-lang3包。

//org.apache.commons.lang3.concurrent.BasicThreadFactory
ScheduledExecutorService executorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(1,
    new BasicThreadFactory.Builder().namingPattern("example-schedule-pool-%d").daemon(true).build());

方式二，引入com.google.guava包。

ThreadFactory namedThreadFactory = new ThreadFactoryBuilder()
    .setNameFormat("demo-pool-%d").build();

//Common Thread Pool
ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(5, 200,
    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
    new LinkedBlockingQueue<Runnable>(1024), namedThreadFactory, new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

pool.execute(()-> System.out.println(Thread.currentThread().getName()));
pool.shutdown();//gracefully shutdown

方式三，spring配置线程池方式：自定义线程工厂bean需要实现ThreadFactory，可参考该接口的其它默认实现类，使用方式直接注入bean，调用execute(Runnable task)方法即可。

<bean id="userThreadPool"
    class="org.springframework.scheduling.concurrent.ThreadPoolTaskExecutor">
    <property name="corePoolSize" value="10" />
    <property name="maxPoolSize" value="100" />
    <property name="queueCapacity" value="2000" />

<property name="threadFactory" value= threadFactory />
    <property name="rejectedExecutionHandler">
        <ref local="rejectedExecutionHandler" />
    </property>
</bean>
// in code
userThreadPool.execute(thread);

ThreadPoolExecutor的构造方法

除了以上推荐的创建线程池的方法，还可以通过ThreadPoolExecutor的构造方法，直接创建线程池。本质上来讲，以上方法最终也是创建了ThreadPoolExecutor对象，然后堆积进行包装处理。

ThreadPoolExecutor提供了多个构造方法，我们最终都调用的构造方法来进行说明。

 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
      int maximumPoolSize,
      long keepAliveTime,
      TimeUnit unit,
      BlockingQueue<Runnable> workQueue,
      ThreadFactory threadFactory,
      RejectedExecutionHandler handler) {
   // 省略代码
}

核心参数作用解析如下：

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：创建新线程的工厂，所有线程都是通过该工厂创建的，有默认实现。
handler：线程池的拒绝策略。

程池的拒绝策略

构造方法的中最后的参数RejectedExecutionHandler用于指定线程池的拒绝策略。当请求任务不断的过来，而系统此时又处理不过来的时候，我们就需要采取对应的策略是拒绝服务。

默认有四种类型：

AbortPolicy策略：该策略会直接抛出异常，阻止系统正常工作。
CallerRunsPolicy策略：只要线程池未关闭，该策略直接在调用者线程中，运行当前的被丢弃的任务。
DiscardOleddestPolicy策略：该策略将丢弃最老的一个请求，也就是即将被执行的任务，并尝试再次提交当前任务。
DiscardPolicy策略：该策略默默的丢弃无法处理的任务，不予任何处理。

当然，除了默认的4种策略之外，还可以根据业务需求自定义拒绝策略。通过实现RejectedExecutionHandler接口，在创建ThreadPoolExecutor对象时作为参数传入即可。

在spring-integration-core中便自定义了CallerBlocksPolicy，相关代码如下：

public class CallerBlocksPolicy implements RejectedExecutionHandler {
    private static final Log logger = LogFactory.getLog(CallerBlocksPolicy.class);
    private final long maxWait;

    public CallerBlocksPolicy(long maxWait) {
        this.maxWait = maxWait;
    }

    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
        if (!executor.isShutdown()) {
            try {
                BlockingQueue<Runnable> queue = executor.getQueue();
                if (logger.isDebugEnabled()) {
                    logger.debug("Attempting to queue task execution for " + this.maxWait + " milliseconds");
                }

                if (!queue.offer(r, this.maxWait, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                    throw new RejectedExecutionException("Max wait time expired to queue task");
                } else {
                    if (logger.isDebugEnabled()) {
                        logger.debug("Task execution queued");
                    }

                }
            } catch (InterruptedException var4) {
                Thread.currentThread().interrupt();
                throw new RejectedExecutionException("Interrupted", var4);
            }
        } else {
            throw new RejectedExecutionException("Executor has been shut down");
        }
    }
}

线程池的执行

创建完成ThreadPoolExecutor之后，当向线程池提交任务时，通常使用execute方法。execute方法的执行流程图如下：

如果线程池中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。

源代码分析

下面看一下JDK8中ThreadPoolExecutor中execute方法的源代码实现：

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();
    // 线程池本身的状态跟worker数量使用同一个变量ctl来维护
    int c = ctl.get();
    // 通过位运算得出当然线程池中的worker数量与构造参数corePoolSize进行比较
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        // 如果小于corePoolSize，则直接新增一个worker，并把当然用户提交的任务command作为参数，如果成功则返回。
        if (addWorker(command, true))
            return;
        // 如果失败，则获取最新的线程池数据
        c = ctl.get();
    }
    // 如果线程池仍在运行，则把任务放到阻塞队列中等待执行。
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        // 这里的recheck思路是为了处理并发问题
        int recheck = ctl.get();
        // 当任务成功放入队列时，如果recheck发现线程池已经不再运行了则从队列中把任务删除
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            //删除成功以后，会调用构造参数传入的拒绝策略。
            reject(command);
         // 如果worker的数量为0（此时队列中可能有任务没有执行），则新建一个worker（由于此时新建woker的目的是执行队列中堆积的任务，
         // 因此入参没有执行任务，详细逻辑后面会详细分析addWorker方法）。
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    // 如果前面的新增woker，放入队列都失败，则会继续新增worker，此时线程池的状态是woker数量达到corePoolSize，阻塞队列任务已满
    // 只能基于maximumPoolSize参数新建woker
    else if (!addWorker(command, false))
        // 如果基于maximumPoolSize新建woker失败，此时是线程池中线程数已达到上限，队列已满，则调用构造参数中传入的拒绝策略
        reject(command);
}

下面再看在上述代码中调用的addWorker方法的源代码实现及解析：

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
    // 这里有一段基于CAS+死循环实现的关于线程池状态，线程数量的校验与更新逻辑就先忽略了，重点看主流程。
    //...

    boolean workerStarted = false;
    boolean workerAdded = false;
    Worker w = null;
    try {
         // 把指定任务作为参数新建一个worker线程
        w = new Worker(firstTask);
        // 这里是重点w.thread是通过线程池构造函数参数threadFactory生成的woker对象
        // 也就是说这个变量t就是代表woker线程。绝对不是用户提交的线程任务firstTask。
        final Thread t = w.thread;
        if (t != null) {
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
                // 加锁之后仍旧是判断线程池状态等一些校验逻辑。
                int rs = runStateOf(ctl.get());
                if (rs < SHUTDOWN ||
                    (rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
                    if (t.isAlive()) 
                        throw new IllegalThreadStateException();
                    // 把新建的woker线程放入集合保存，这里使用的是HashSet
                    workers.add(w);
                    int s = workers.size();
                    if (s > largestPoolSize)
                        largestPoolSize = s;
                    workerAdded = true;
                }
            } finally {
                mainLock.unlock();
            }
            if (workerAdded) {
                // 然后启动woker线程
                 // 该变量t代表woker线程，会调用woker的run方法
                t.start();
                workerStarted = true;
            }
        }
    } finally {
        if (! workerStarted)
            // 如果woker启动失败，则进行一些善后工作，比如说修改当前woker数量等
            addWorkerFailed(w);
    }
    return workerStarted;
}

addWorker方法主要做的工作就是新建一个Woker线程，加入到woker集合中。在上述方法中会调用到Worker类的run方法，并最终执行了runWorker方法。

// Woker类实现了Runnable接口
public void run() {
    runWorker(this);
}

final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    // task就是Woker构造函数入参指定的任务，即用户提交的任务
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    w.unlock(); 
    boolean completedAbruptly = true;
    try {
        //一般情况下，task都不会为空（特殊情况上面注释中也说明了），因此会直接进入循环体中
        //这里getTask方法是要重点说明的，它的实现跟我们构造参数设置存活时间有关
        //我们都知道构造参数设置的时间代表了线程池中的线程，即woker线程的存活时间，如果到期则回收woker线程，这个逻辑的实现就在getTask中。
        //来不及执行的任务，线程池会放入一个阻塞队列，getTask方法就是去阻塞队列中取任务，用户设置的存活时间，就是
        //从这个阻塞队列中取任务等待的最大时间，如果getTask返回null，意思就是woker等待了指定时间仍然没有
        //取到任务，此时就会跳过循环体，进入woker线程的销毁逻辑。
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            w.lock();
            if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                 (Thread.interrupted() &&
                  runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
                !wt.isInterrupted())
                wt.interrupt();
            try {
                //该方法是个空的实现，如果有需要用户可以自己继承该类进行实现
                beforeExecute(wt, task);
                Throwable thrown = null;
                try {
                    //真正的任务执行逻辑
                    task.run();
                } catch (RuntimeException x) {
                    thrown = x; throw x;
                } catch (Error x) {
                    thrown = x; throw x;
                } catch (Throwable x) {
                    thrown = x; throw new Error(x);
                } finally {
                    //该方法是个空的实现，如果有需要用户可以自己继承该类进行实现
                    afterExecute(task, thrown);
                }
            } finally {
                //这里设为null，也就是循环体再执行的时候会调用getTask方法
                task = null;
                w.completedTasks++;
                w.unlock();
            }
        }
        completedAbruptly = false;
    } finally {
        //当指定任务执行完成，阻塞队列中也取不到可执行任务时，会进入这里，做一些善后工作，比如在corePoolSize跟maximumPoolSize之间的woker会进行回收
        processWorkerExit(w, completedAbruptly);
    }
}

woker线程的执行流程就是首先执行初始化时分配给的任务，执行完成以后会尝试从阻塞队列中获取可执行的任务，如果指定时间内仍然没有任务可以执行，则进入销毁逻辑。这里只会回收corePoolSize与maximumPoolSize直接的那部分woker。

execute与submit的区别

执行任务除了可以使用execute方法还可以使用submit方法。它们的主要区别是：execute适用于不需要关注返回值的场景，submit方法适用于需要关注返回值的场景。

异常处理

当执行任务时发生异常，那么该怎么处理呢？首先看当Thread线程异常如何处理。

在任务中通过try…catch是可以捕获异常并进行处理的，如下代码：

Thread t = new Thread(() -> {
    try {
        System.out.println(1 / 0);
    } catch (Exception e) {
        LOGGER.error(e.getMessage(), e);
    }
});
t.start();

如果很多线程任务默认的异常处理机制都是相同的，可以通过Thread类的UncaughtExceptionHandler来设置线程默认的异常处理机制。

实现UncaughtExceptionHandler接口，并调用Thread#setUncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler)方法。如果想设置为全局默认异常处理机制，则可调用Thread#setDefaultUncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler)方法。

ThreadGroup默认提供了异常处理机制如下：

public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
    if (parent != null) {
        parent.uncaughtException(t, e);
    } else {
        Thread.UncaughtExceptionHandler ueh =
            Thread.getDefaultUncaughtExceptionHandler();
        if (ueh != null) {
            ueh.uncaughtException(t, e);
        } else if (!(e instanceof ThreadDeath)) {
            System.err.print("Exception in thread \""
                             + t.getName() + "\" ");
            e.printStackTrace(System.err);
        }
    }
}

ThreadPoolExecutor的异常处理机制与Thread是一样的。同时，ThreadPoolExecutor提供了uncaughtExceptionHandler方法来设置异常处理。如下示例：

public class ThreadPool {

    public static void main(String[] args) {
        ThreadFactory namedThreadFactory = new ThreadFactoryBuilder()
                .setNameFormat("demo-pool-%d")
                .setUncaughtExceptionHandler(new LogUncaughtExceptionHandler())
                .build();

        ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(5, 200,
                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>(1024), namedThreadFactory, new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

        pool.execute(() -> {
            throw new RuntimeException("测试异常");
        });

        pool.shutdown();
    }

    static class  LogUncaughtExceptionHandler implements Thread.UncaughtExceptionHandler {

        @Override
        public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
            System.out.println("打印LogUncaughtExceptionHandler中获得的异常信息:" + e.getMessage());
        }
    }
}

但需要注意的是使用UncaughtExceptionHandler的方法只适用于execute方法执行的任务，而对submit方法是无效。submit执行的任务，可以通过返回的Future对象的get方法接收抛出的异常，再进行处理。这也算是execute方法与submit方法的差别之一。

线程池中常见的队列

线程池有以下工作队列：

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：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：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：优先级队列，是具有优先级的无界阻塞队列。
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。