面试题 -- 如何设计一个线程池

Posted 2021-09-07 秦怀杂货店

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如何设计一个线程池？

三个步骤

这是一个常见的问题，如果在比较熟悉线程池运作原理的情况下，这个问题并不难。设计实现一个东西，三步走：是什么？为什么？怎么做？

线程池是什么？

线程池使用了池化技术，将线程存储起来放在一个 "池子"（容器）里面，来了任务可以用已有的空闲的线程进行处理， 处理完成之后，归还到容器，可以复用。如果线程不够，还可以根据规则动态增加，线程多余的时候，亦可以让多余的线程死亡。

为什么要用线程池？

实现线程池有什么好处呢？

• 降低资源消耗：池化技术可以重复利用已经创建的线程，降低线程创建和销毁的损耗。
• 提高响应速度：利用已经存在的线程进行处理，少去了创建线程的时间
• 管理线程可控：线程是稀缺资源，不能无限创建，线程池可以做到统一分配和监控
• 拓展其他功能：比如定时线程池，可以定时执行任务

需要考虑的点

那线程池设计需要考虑的点：

• 线程池状态：

  • 有哪些状态？如何维护状态？
• 线程
  • 线程怎么封装？线程放在哪个池子里？
  • 线程怎么取得任务？
  • 线程有哪些状态？
  • 线程的数量怎么限制？动态变化？自动伸缩？
  • 线程怎么消亡？如何重复利用？
• 任务
  • 任务少可以直接处理，多的时候，放在哪里？
  • 任务队列满了，怎么办？
  • 用什么队列？

如果从任务的阶段来看，分为以下几个阶段：

• 如何存任务？
• 如何取任务？
• 如何执行任务？
• 如何拒绝任务？

线程池状态

状态有哪些？如何维护状态？

状态可以设置为以下几种：

• RUNNING：运行状态，可以接受任务，也可以处理任务
• SHUTDOWN：不可以接受任务，但是可以处理任务
• STOP：不可以接受任务，也不可以处理任务，中断当前任务
• TIDYING：所有线程停止
• TERMINATED：线程池的最后状态

各种状态之间是不一样的，他们的状态之间变化如下：

而维护状态的话，可以用一个变量单独存储，并且需要保证修改时的原子性，在底层操作系统中，对int的修改是原子的，而在32位的操作系统里面，对double,long这种64位数值的操作不是原子的。除此之外，实际上JDK里面实现的状态和线程池的线程数是同一个变量，高3位表示线程池的状态，而低29位则表示线程的数量。

这样设计的好处是节省空间，并且同时更新的时候有优势。

线程相关

线程怎么封装？线程放在哪个池子里？

线程，即是实现了Runnable接口，执行的时候，调用的是start()方法，但是start()方法内部编译后调用的是 run() 方法，这个方法只能调用一次，调用多次会报错。因此线程池里面的线程跑起来之后，不可能终止再启动，只能一直运行着。既然不可以停止，那么执行完任务之后，没有任务过来，只能是轮询取出任务的过程

线程可以运行任务，因此封装线程的时候，假设封装成为 Worker, Worker里面必定是包含一个 Thread,表示当前线程，除了当前线程之外，封装的线程类还应该持有任务，初始化可能直接给予任务，当前的任务是null的时候才需要去获取任务。

可以考虑使用 HashSet 来存储线程，也就是充当线程池的角色，当然，HashSet 会有线程安全的问题需要考虑，那么我们可以考虑使用一个可重入锁比如 ReentrantLock，凡是增删线程池的线程，都需要锁住。

    private final ReentrantLock mainLock = new ReentrantLock();

线程怎么取得任务？

（1）初始化线程的时候可以直接指定任务，譬如Runnable firstTask，将任务封装到 worker 中，然后获取 worker 里面的 thread，thread.run()的时候，其实就是 跑的是 worker 本身的 run() 方法，因为 worker 本身就是实现了 Runnable 接口，里面的线程其实就是其本身。因此也可以实现对 ThreadFactory 线程工厂的定制化。

    private final class Worker
        extends AbstractQueuedSynchronizer
        implements Runnable
    {
        final Thread thread;
        Runnable firstTask;

        ...

        Worker(Runnable firstTask) {
            setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
            this.firstTask = firstTask;
            // 从线程池创建线程，传入的是其本身
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
        }
    }

（2）运行完任务的线程，应该继续取任务，取任务肯定需要从任务队列里面取，要是任务队列里面没有任务，由于是阻塞队列，那么可以等待，如果等待若干时间后，仍没有任务，倘若该线程池的线程数已经超过核心线程数，并且允许线程消亡的话，应该将该线程从线程池中移除，并结束掉该线程。

线程有哪些状态？

现在我们所说的是Java中的线程Thread,一个线程在一个给定的时间点，只能处于一种状态，这些状态都是虚拟机的状态，不能反映任何操作系统的线程状态，一共有六种/七种状态：

• NEW：创建了线程对象，但是还没有调用Start()方法，还没有启动的线程处于这种状态。

• Running：运行状态，其实包含了两种状态，但是Java线程将就绪和运行中统称为可运行

  • Runnable：就绪状态：创建对象后，调用了start()方法，该状态的线程还位于可运行线程池中，等待调度，获取CPU的使用权
  • 只是有资格执行，不一定会执行
  • start()之后进入就绪状态，sleep()结束或者join()结束，线程获得对象锁等都会进入该状态。
  • CPU时间片结束或者主动调用yield()方法，也会进入该状态
  • Running ：获取到CPU的使用权（获得CPU时间片），变成运行中
• BLOCKED ：阻塞，线程阻塞于锁，等待监视器锁，一般是Synchronize关键字修饰的方法或者代码块
• WAITING ：进入该状态，需要等待其他线程通知（notify）或者中断，一个线程无限期地等待另一个线程。
• TIMED_WAITING ：超时等待，在指定时间后自动唤醒，返回，不会一直等待
• TERMINATED ：线程执行完毕，已经退出。如果已终止再调用start()，将会抛出java.lang.IllegalThreadStateException异常。

线程的数量怎么限制？动态变化？自动伸缩？

线程池本身，就是为了限制和充分使用线程资的，因此有了两个概念：核心线程数，最大线程数。

要想让线程数根据任务数量动态变化，那么我们可以考虑以下设计（假设不断有任务）：

• 来一个任务创建一个线程处理，直到线程数达到核心线程数。
• 达到核心线程数之后且没有空闲线程，来了任务直接放到任务队列。
• 任务队列如果是无界的，会被撑爆。
• 任务队列如果是有界的，任务队列满了之后，还有任务过来，会继续创建线程处理，此时线程数大于核心线程数，直到线程数等于最大线程数。
• 达到最大线程数之后，还有任务不断过来，会触发拒绝策略，根据不同策略进行处理。
• 如果任务不断处理完成，任务队列空了，线程空闲没任务，会在一定时间内，销毁，让线程数保持在核心线程数即可。

由上面可以看出，主要控制伸缩的参数是核心线程数，最大线程数,任务队列,拒绝策略。

线程怎么消亡？如何重复利用？

线程不能被重新调用多次start()，因此只能调用一次，也就是线程不可能停下来，再启动。那么就说明线程复用只是在不断的循环罢了。

消亡只是结束了它的run()方法，当线程池数量需要自动缩容的，就会让一部分空闲的线程结束。

而重复利用，其实是执行完任务之后，再去去任务队列取任务，取不到任务会等待，任务队列是一个阻塞队列，这是一个不断循环的过程。

任务相关

任务少可以直接处理，多的时候，放在哪里？

任务少的时候，来了直接创建，赋予线程初始化任务，就可开始执行，任务多的时候，把它放进队列里面，先进先出。

任务队列满了，怎么办？

任务队列满了，会继续增加线程，直到达到最大的线程数。

用什么队列？

一般的队列，只是一个有限长度的缓冲区，要是满了，就不能保存当前的任务，阻塞队列可以通过阻塞，保留出当前需要入队的任务，只是会阻塞等待。同样的，阻塞队列也可以保证任务队列没有任务的时候，阻塞当前获取任务的线程，让它进入wait状态，释放cpu的资源。因此在线程池的场景下，阻塞队列其实是比较有必要的。

【作者简介】：
秦怀，公众号【秦怀杂货店】作者，技术之路不在一时，山高水长，纵使缓慢，驰而不息。这个世界希望一切都很快，更快，但是我希望自己能走好每一步，写好每一篇文章，期待和你们一起交流。如果有帮助，顺手点个赞，对我，是莫大的鼓励和认可。