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Java面试经典题:线程池的成长之路

技术杂谈 勤劳的小蚂蚁 3个月前 (01-29) 77次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码


1、背景

相信大家在面试过程中遇到面试官问线程的很多,线程过后就是线程池了。从易到难,都是这么个过程,还有就是确实很多人在工作中接触线程池比较少,最多的也就是创建一个然后往里面提交线程,对于一些经验很丰富的面试官来说,一下就可以问出很多线程池相关的问题,与其被问的晕头转向,还不如好好学习。

此时不努力更待何时。

2、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。

如果每个请求都创建一个线程去处理,那么服务器的资源很快就会被耗尽,使用线程池可以减少创建和销毁线程的次数,每个工作线程都可以被重复利用,可执行多个任务。

如果用生活中的列子来说明,我们可以把线程池当做一个客服团队,如果同时有1000个人打电话进行咨询,按照正常的逻辑那就是需要1000个客服接听电话,服务客户。

现实往往需要考虑到很多层面的东西,比如:资源够不够,招这么多人需要费用比较多。正常的做法就是招100个人成立一个客服中心,当有电话进来后分配没有接听的客服进行服务,如果超出了100个人同时咨询的话,提示客户等待,稍后处理,等有客服空出来就可以继续服务下一个客户,这样才能达到一个资源的合理利用,实现效益的最大化。

3、Java中的线程池种类


  • newSingleThreadExecutor

创建方式:
ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();

一个单线程的线程池。这个线程池只有一个线程在工作,也就是相当于单线程串行执行所有任务。如果这个唯一的线程因为异常结束,那么会有一个新的线程来替代它。此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。

使用方式:
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
publicclassThreadPool {
   publicstaticvoidmain(String[] args){
       ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();
       for (int i = 0; i < 10; i++) {
           pool.execute(() -> {
               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + “t开始发车啦….”);
           });
       }
   }

}

输出结果如下:
pool-1-thread-1    开始发车啦….
pool-1-thread-1    开始发车啦….
pool-1-thread-1    开始发车啦….
pool-1-thread-1    开始发车啦….
pool-1-thread-1    开始发车啦….
pool-1-thread-1    开始发车啦….
pool-1-thread-1    开始发车啦….
pool-1-thread-1    开始发车啦….
pool-1-thread-1    开始发车啦….
pool-1-thread-1    开始发车啦….

从输出的结果我们可以看出,一直只有一个线程在运行。

  • newFixedThreadPool

创建方式:
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);

创建固定大小的线程池。每次提交一个任务就创建一个线程,直到线程达到线程池的最大大小。线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变,如果某个线程因为执行异常而结束,那么线程池会补充一个新线程。

使用方式:
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
publicclassThreadPool {
   publicstaticvoidmain(String[] args){
       ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
       for (int i = 0; i < 10; i++) {
           pool.execute(() -> {
               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + “t开始发车啦….”);
           });
       }
   }

}

输出结果如下:
pool-1-thread-1    开始发车啦….
pool-1-thread-4    开始发车啦….
pool-1-thread-3    开始发车啦….
pool-1-thread-2    开始发车啦….
pool-1-thread-6    开始发车啦….
pool-1-thread-7    开始发车啦….
pool-1-thread-5    开始发车啦….
pool-1-thread-8    开始发车啦….
pool-1-thread-9    开始发车啦….
pool-1-thread-10 开始发车啦….

  • newCachedThreadPool

创建方式:
ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();

创建一个可缓存的线程池。如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程,那么就会回收部分空闲的线程,当任务数增加时,此线程池又添加新线程来处理任务。

使用方式如上2所示。

  • newScheduledThreadPool

创建方式:
ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(10);

此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求。

使用方式:
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
publicclassThreadPool {
   publicstaticvoidmain(String[] args){
       ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(10);
       for (int i = 0; i < 10; i++) {
           pool.schedule(() -> {
               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + “t开始发车啦….”);
           }, 10, TimeUnit.SECONDS);
       }
   }

}

上面演示的是延迟10秒执行任务,如果想要执行周期性的任务可以用下面的方式,每秒执行一次。
//pool.scheduleWithFixedDelay也可以
pool.scheduleAtFixedRate(() -> {
               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + “t开始发车啦….”);
}, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);

  • newWorkStealingPool

newWorkStealingPool是jdk1.8才有的,会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,底层用的ForkJoinPool来实现的。ForkJoinPool的优势在于,可以充分利用多cpu,多核cpu的优势,把一个任务拆分成多个“小任务”,把多个“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。

4、说说线程池的拒绝策略

当请求任务不断的过来,而系统此时又处理不过来的时候,我们需要采取的策略是拒绝服务。RejectedExecutionHandler接口提供了拒绝任务处理的自定义方法的机会。在ThreadPoolExecutor中已经包含四种处理策略。

  • AbortPolicy策略:该策略会直接抛出异常,阻止系统正常工作。

publicstaticclassAbortPolicyimplementsRejectedExecutionHandler{
   publicAbortPolicy(){ }
   publicvoidrejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e){
       thrownew RejectedExecutionException(“Task “ + r.toString() +
                                                ” rejected from “ +
                                                e.toString());
   }
}

  • 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。

publicstaticclassCallerRunsPolicyimplementsRejectedExecutionHandler{
   publicCallerRunsPolicy(){ }
   publicvoidrejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e){
       if (!e.isShutdown()) {
               r.run();
       }
   }

}


  • 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。

publicstaticclassDiscardOldestPolicyimplementsRejectedExecutionHandler{
   publicDiscardOldestPolicy(){ }
   publicvoidrejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e){
       if (!e.isShutdown()) {
           e.getQueue().poll();
           e.execute(r);
       }
   }
}

  • DiscardPolicy策略:该策略默默的丢弃无法处理的任务,不予任何处理。

publicstaticclassDiscardPolicyimplementsRejectedExecutionHandler{
   publicDiscardPolicy(){ }
   publicvoidrejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor e){
   }

}

除了JDK默认为什么提供的四种拒绝策略,我们可以根据自己的业务需求去自定义拒绝策略,自定义的方式很简单,直接实现RejectedExecutionHandler接口即可。

比如Spring integration中就有一个自定义的拒绝策略CallerBlocksPolicy,将任务插入到队列中,直到队列中有空闲并插入成功的时候,否则将根据最大等待时间一直阻塞,直到超时。

package org.springframework.integration.util;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.RejectedExecutionException;
import java.util.concurrent.RejectedExecutionHandler;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import org.apache.commons.logging.Log;
import org.apache.commons.logging.LogFactory;
publicclassCallerBlocksPolicyimplementsRejectedExecutionHandler{
   privatestaticfinal Log logger = LogFactory.getLog(CallerBlocksPolicy.class);
   privatefinallong maxWait;
   /**
    * @param maxWait The maximum time to wait for a queue slot to be
    * available, in milliseconds.
    */
   publicCallerBlocksPolicy(long maxWait){
       this.maxWait = maxWait;
   }
   @Override
   publicvoidrejectedExecution(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)) {
                   thrownew RejectedExecutionException(“Max wait time expired to queue task”);
               }
               if (logger.isDebugEnabled()) {
                   logger.debug(“Task execution queued”);
               }
           }
           catch (InterruptedException e) {
               Thread.currentThread().interrupt();
               thrownew RejectedExecutionException(“Interrupted”, e);
           }
       }
       else {
           thrownew RejectedExecutionException(“Executor has been shut down”);
       }
   }
}
定义好之后如何使用呢?光定义没用的呀,一定要用到线程池中呀,可以通过下面的方式自定义线程池,指定拒绝策略。
BlockingQueue<Runnable> workQueue = new ArrayBlockingQueue<>(100);
ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
   10, 100, 10, TimeUnit.SECONDS, workQueue, new CallerBlocksPolicy());

5、execute和submit的区别?

在前面的讲解中,我们执行任务是用的execute方法,除了execute方法,还有一个submit方法也可以执行我们提交的任务。

这两个方法有什么区别呢?分别适用于在什么场景下呢?我们来做一个简单的分析。

execute适用于不需要关注返回值的场景,只需要将线程丢到线程池中去执行就可以了。
publicclassThreadPool {
   publicstaticvoidmain(String[] args) {
       ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
       pool.execute(() -> {
           System.out.println(Thread.currentThread().getName() + “t开始发车啦….”);
       });
   }
}

submit方法适用于需要关注返回值的场景,submit方法的定义如下:
publicinterfaceExecutorServiceextendsExecutor{
  …
  <T> Future<T> submit(Callable<T> task);
  <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
  Future<?> submit(Runnable task);
  …

}

其子类AbstractExecutorService实现了submit方法,可以看到无论参数是Callable还是Runnable,最终都会被封装成RunnableFuture,然后再调用execute执行。

   /**
    * @throws RejectedExecutionException {@inheritDoc}
    * @throws NullPointerException       {@inheritDoc}
    */
   public Future<?> submit(Runnable task) {
       if (task == null) thrownew NullPointerException();
       RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
       execute(ftask);
       return ftask;
   }
   /**
    * @throws RejectedExecutionException {@inheritDoc}
    * @throws NullPointerException       {@inheritDoc}
    */
   public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) {
       if (task == null) thrownew NullPointerException();
       RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task, result);
       execute(ftask);
       return ftask;
   }
   /**
    * @throws RejectedExecutionException {@inheritDoc}
    * @throws NullPointerException       {@inheritDoc}
    */
   public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
       if (task == null) thrownew NullPointerException();
       RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
       execute(ftask);
       return ftask;
   }

下面我们来看看这三个方法分别如何去使用:

submit(Callable task);
publicclassThreadPool{
   publicstaticvoidmain(String[] args)throws Exception {
       ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
       Future<String> future = pool.submit(new Callable<String>() {
           @Override
           public String call()throws Exception {
               return“Hello”;
           }
       });
       String result = future.get();
       System.out.println(result);
   }

}

submit(Runnable task, T result);
publicclassThreadPool{
   publicstaticvoidmain(String[] args)throws Exception {
       ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
       Data data = new Data();
       Future<Data> future = pool.submit(new MyRunnable(data), data);
       String result = future.get().getName();
       System.out.println(result);
   }
}
classData{
   String name;
   public String getName(){
       return name;
   }
   publicvoidsetName(String name){
       this.name = name;
   }
}
classMyRunnableimplementsRunnable{
   private Data data;
   publicMyRunnable(Data data){
       this.data = data;
   }
   @Override
   publicvoidrun(){
       data.setName(“yinjihuan”);
   }
}

Future submit(Runnable task);
直接submit一个Runnable是拿不到返回值的,返回值就是null.

6、五种线程池的使用场景

  • newSingleThreadExecutor:一个单线程的线程池,可以用于需要保证顺序执行的场景,并且只有一个线程在执行。
  • newFixedThreadPool:一个固定大小的线程池,可以用于已知并发压力的情况下,对线程数做限制。
  • newCachedThreadPool:一个可以无限扩大的线程池,比较适合处理执行时间比较小的任务。
  • newScheduledThreadPool:可以延时启动,定时启动的线程池,适用于需要多个后台线程执行周期任务的场景。
  • newWorkStealingPool:一个拥有多个任务队列的线程池,可以减少连接数,创建当前可用cpu数量的线程来并行执行。

7、线程池的关闭

关闭线程池可以调用shutdownNow和shutdown两个方法来实现
shutdownNow:对正在执行的任务全部发出interrupt(),停止执行,对还未开始执行的任务全部取消,并且返回还没开始的任务列表。

publicclassThreadPool {
   publicstaticvoidmain(String[] args) throws Exception {
       ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
       for (int i = 0; i < 5; i++) {
           System.err.println(i);
           pool.execute(() -> {
               try {
                   Thread.sleep(30000);
                   System.out.println(“–“);
               } catch (Exception e) {
                   e.printStackTrace();
               }
           });
       }
       Thread.sleep(1000);
       List<Runnable> runs = pool.shutdownNow();
   }

}

上面的代码模拟了立即取消的场景,往线程池里添加5个线程任务,然后sleep一段时间,线程池只有一个线程,如果此时调用shutdownNow后应该需要中断一个正在执行的任务和返回4个还未执行的任务,控制台输出下面的内容:
0
1
2
3
4
[fs.ThreadPool$$Lambda$1/990368553@682a0b20,
fs.ThreadPool$$Lambda$1/990368553@682a0b20,
fs.ThreadPool$$Lambda$1/990368553@682a0b20,
fs.ThreadPool$$Lambda$1/990368553@682a0b20]
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
   at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
   at fs.ThreadPool.lambda$0(ThreadPool.java:15)
   at fs.ThreadPool$$Lambda$1/990368553.run(Unknown Source)
   at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1142)
   at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:617)
   at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

shutdown:当我们调用shutdown后,线程池将不再接受新的任务,但也不会去强制终止已经提交或者正在执行中的任务。

publicclassThreadPool {
   publicstaticvoidmain(String[] args) throws Exception {
       ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
       for (int i = 0; i < 5; i++) {
           System.err.println(i);
           pool.execute(() -> {
               try {
                   Thread.sleep(30000);
                   System.out.println(“–“);
               } catch (Exception e) {
                   e.printStackTrace();
               }
           });
       }
       Thread.sleep(1000);
       pool.shutdown();
       pool.execute(() -> {
           try {
               Thread.sleep(30000);
               System.out.println(“–“);
           } catch (Exception e) {
               e.printStackTrace();
           }
       });
   }

}

上面的代码模拟了正在运行的状态,然后调用shutdown,接着再往里面添加任务,肯定是拒绝添加的,请看输出结果:
0
1
2
3
4
Exception in thread “main” java.util.concurrent.RejectedExecutionException: Task fs.ThreadPool$$Lambda$2/1747585824@3d075dc0 rejected from java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor@214c265e[Shutting down, pool size = 1, active threads = 1, queued tasks = 4, completed tasks = 0]
   at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$AbortPolicy.rejectedExecution(ThreadPoolExecutor.java:2047)
   at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.reject(ThreadPoolExecutor.java:823)
   at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.execute(ThreadPoolExecutor.java:1369)
   at fs.ThreadPool.main(ThreadPool.java:24)
还有一些业务场景下需要知道线程池中的任务是否全部执行完成,当我们关闭线程池之后,可以用isTerminated来判断所有的线程是否执行完成,千万不要用isShutdown,isShutdown只是返回你是否调用过shutdown的结果。
publicclassThreadPool {
   publicstaticvoidmain(String[] args) throws Exception {
       ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
       for (int i = 0; i < 5; i++) {
           System.err.println(i);
           pool.execute(() -> {
               try {
                   Thread.sleep(3000);
                   System.out.println(“–“);
               } catch (Exception e) {
                   e.printStackTrace();
               }
           });
       }
       Thread.sleep(1000);
       pool.shutdown();
       while(true){  
           if(pool.isTerminated()){  
               System.out.println(“所有的子线程都结束了!”);  
               break;  
           }  
           Thread.sleep(1000);    
       }  
   }

}

8、自定义线程池

在实际的使用过程中,大部分我们都是用Executors去创建线程池直接使用,如果有一些其他的需求,比如指定线程池的拒绝策略,阻塞队列的类型,线程名称的前缀等等,我们可以采用自定义线程池的方式来解决。

如果只是简单的想要改变线程名称的前缀的话可以自定义ThreadFactory来实现,在Executors.new…中有一个ThreadFactory的参数,如果没有指定则用的是DefaultThreadFactory。

自定义线程池核心在于创建一个ThreadPoolExecutor对象,指定参数
下面我们看下ThreadPoolExecutor构造函数的定义
publicThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                             int maximumPoolSize,
                             long keepAliveTime,
                             TimeUnit unit,
                             BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                             ThreadFactory threadFactory,
                             RejectedExecutionHandler handler);

  • corePoolSize
    线程池大小,决定着新提交的任务是新开线程去执行还是放到任务队列中,也是线程池的最最核心的参数。一般线程池开始时是没有线程的,只有当任务来了并且线程数量小于corePoolSize才会创建线程。
  • maximumPoolSize
    最大线程数,线程池能创建的最大线程数量。
  • keepAliveTime
    在线程数量超过corePoolSize后,多余空闲线程的最大存活时间。
  • unit
    时间单位
  • workQueue
    存放来不及处理的任务的队列,是一个BlockingQueue。
  • threadFactory
    生产线程的工厂类,可以定义线程名,优先级等。
  • handler
    拒绝策略,当任务来不及处理的时候,如何处理, 前面有讲解。

了解上面的参数信息后我们就可以定义自己的线程池了,我这边用ArrayBlockingQueue替换了LinkedBlockingQueue,指定了队列的大小,当任务超出队列大小之后使用CallerRunsPolicy拒绝策略处理。

这样做的好处是严格控制了队列的大小,不会出现一直往里面添加任务的情况,有的时候任务处理的比较慢,任务数量过多会占用大量内存,导致内存溢出。

当然你也可以在提交到线程池的入口进行控制,比如用CountDownLatch, Semaphore等。
/**
* 自定义线程池<br>
* 默认的newFixedThreadPool里的LinkedBlockingQueue是一个无边界队列,如果不断的往里加任务,最终会导致内存的不可控<br>
* 增加了有边界的队列,使用了CallerRunsPolicy拒绝策略
* @author yinjihuan
*
*/
publicclassFangjiaThreadPoolExecutor{
   privatestatic ExecutorService executorService = newFixedThreadPool(50);
   privatestatic ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads){
       returnnew ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
               new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10000), new DefaultThreadFactory(), new CallerRunsPolicy());
   }
   publicstaticvoidexecute(Runnable command){
       executorService.execute(command);
   }
   publicstaticvoidshutdown(){
       executorService.shutdown();
   }
   staticclassDefaultThreadFactoryimplementsThreadFactory{
       privatestaticfinal AtomicInteger poolNumber = new AtomicInteger(1);
       privatefinal ThreadGroup group;
       privatefinal AtomicInteger threadNumber = new AtomicInteger(1);
       privatefinal String namePrefix;
       DefaultThreadFactory() {
           SecurityManager s = System.getSecurityManager();
           group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
                                 Thread.currentThread().getThreadGroup();
           namePrefix = “FSH-pool-“ +
                         poolNumber.getAndIncrement() +
                        “-thread-“;
       }
       public Thread newThread(Runnable r){
           Thread t = new Thread(group, r,
                                 namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
                                 0);
           if (t.isDaemon())
               t.setDaemon(false);
           if (t.getPriority() != Thread.NORM_PRIORITY)
               t.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY);
           return t;
       }
   }
}


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