面试必备：Java线程池解析

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：

• 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
  
  
• 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

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：



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：

  //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：

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：

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？

。

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：

• 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
                            }
            });

IDE指定JVM参数：-Xmx8m -Xms8m :

run以上代码，会抛出OOM：

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);
    }

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

• 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");
            });
        }

运行结果：

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));
    }

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

• 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");
                    });
        }

运行结果：

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());
    }

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);

运行结果：

    /**
    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);;

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：

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/

个人公众号

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