带你整理面试过程中关于多线程中的线程池的相关知识点

Posted 2022-05-02 南淮北安

文章目录

• • 一、线程池的工作原理
  • 二、线程复用
  • 三、线程池的核心组件和核心类
  • 四、Java线程池的工作流程
  • 五、线程池的拒绝策略
  • 六、5中常用的线程池
  • • 1. newCachedThreadPool
    • 2. newFixedThreadPool
    • 3. newScheduledThreadPool
    • 4. newSingleThreadExecutor
    • 5. newWorkStealingPool
  • 六、面试题

一、线程池的工作原理

线程是非常宝贵的计算资源，在每次需要时创建并在运行结束后销毁是非常浪费资源的。

Java线程池主要用于管理线程组及其运行状态，以便Java虚拟机更好地利用CPU资源。

Java线程池的工作原理为：JVM先根据用户的参数创建一定数量的可运行的线程任务，并将其放入队列中，在线程创建后启动这些任务，如果线程数量超过了最大线程数量（用户设置的线程池大小），则超出数量的线程排队等候，在有任务执行完毕后，线程池调度器会发现有可用的线程，进而再次从队列中取出任务并执行。

线程池的主要作用是线程复用、线程资源管理、控制操作系统的最大并发数，以保证系统高效（通过线程资源复用实现）且安全（通过控制最大线程并发数实现）地运行

二、线程复用

在Java中，每个Thread类都有一个start方法。在程序调用start方法启动线程时，Java虚拟机会调用该类的run方法。
前面说过，在Thread类的run方法中其实调用了Runnable对象的run方法，因此可以继承Thread类，在start方法中不断循环调用传递进来的Runnable对象，程序就会不断执行run方法中的代码。

可以将在循环方法中不断获取的Runnable对象存放在Queue中，当前线程在获取下一个Runnable对象之前可以是阻塞的，这样既能有效控制正在执行的线程个数，也能保证系统中正在等待执行的其他线程有序执行。这样就简单实现了一个线程池，达到了线程复用的效果。

三、线程池的核心组件和核心类

详细内容学习可参考：一篇文章带你深入了解多线程中核心线程池的内部实现

Java中的线程池是通过Executor框架实现的，在该框架中用到了Executor、Executors、ExecutorService、ThreadPoolExecutor、Callable、Future、FutureTask这几个核心类，具体的继承关系如图3-2所示。

其中，ThreadPoolExecutor是构建线程的核心方法，该方法的定义如下：

ThreadPoolExecutor构造函数的具体参数：

• corePoolSize：指定了线程池中的线程数量。
• maximumPoolSize：指定了线程池中的最大线程数量。
• keepAliveTime：当线程池线程数量超过corePoolSize时，多余的空闲线程的存活时间，即超过corePoolSize的空闲线程，在多长时间内会被销毁。
• unit：keepAliveTime的单位。
• workQueue：任务队列，被提交但尚未被执行的任务。
• threadFactory：线程工厂，用于创建线程，一般用默认的即可。
• handler：拒绝策略。当任务太多来不及处理时，如何拒绝任务。

实际生产时推荐ThreadPoolExecutor 自己手动创建线程池，这样写的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

线程池里的线程数需要从业务考虑，是CPU密集还是IO密集，假设运行应用的机器CPU核心数是N，CPU密集可以先给到N+1，IO密集可以给到2N

线程的数量不是越大越好，具体需要通过压测进行确定，多线程的目的是为了充分利用CPU的资源，如果线程数量过多，会带来系统的过多开销

四、Java线程池的工作流程

Java线程池的工作流程为：线程池刚被创建时，只是向系统申请一个用于执行线程队列和管理线程池的线程资源。在调用execute()添加一个任务时，线程池会按照以下流程执行任务。

• 如果正在运行的线程数量少于corePoolSize（用户定义的核心线程数），线程池就会立刻创建线程并执行该线程任务。
• 如果正在运行的线程数量大于等于corePoolSize，该任务就将被放入阻塞队列中。
• 在阻塞队列已满且正在运行的线程数量少于maximumPoolSize时，线程池会创建非核心线程立刻执行该线程任务。
• 在阻塞队列已满且正在运行的线程数量大于等于maximumPoolSize时，线程池将拒绝执行该线程任务并抛出RejectExecutionException异常。
• 在线程任务执行完毕后，该任务将被从线程池队列中移除，线程池将从队列中取下一个线程任务继续执行。
• 在线程处于空闲状态的时间超过keepAliveTime时间时，正在运行的线程数量超过corePoolSize，该线程将会被认定为空闲线程并停止。因此在线程池中所有线程任务都执行完毕后，线程池会收缩到corePoolSize大小。

具体的流程如图3-3所示。

五、线程池的拒绝策略

若线程池中的核心线程数被用完且阻塞队列已排满，则此时线程池的线程资源已耗尽，线程池将没有足够的线程资源执行新的任务。为了保证操作系统的安全，线程池将通过拒绝策略处理新添加的线程任务

JDK内置的拒绝策略有AbortPolicy、CallerRunsPolicy、DiscardOldestPolicy、DiscardPolicy这4种，默认的拒绝策略在ThreadPoolExecutor中作为内部类提供。在默认的拒绝策略不能满足应用的需求时，可以自定义拒绝策略。

（1）AbortPolicy
AbortPolicy 直接抛出异常，阻止线程正常运行，具体的JDK源码如下：

（2）CallerRunsPolicy
CallerRunsPolicy策略：这个策略不会把线程丢弃，而是交给调用线程去执行

（3）DiscardOldestPolicy
DiscardOldestPolicy的拒绝策略为：移除线程队列中最早的一个线程任务，并尝试提交当前任务。具体的JDK实现源码如下：

（4）DiscardPolicy
DiscardPolicy的拒绝策略为：丢弃当前的线程任务而不做任何处理。如果系统允许在资源不足的情况下丢弃部分任务，则这将是保障系统安全、稳定的一种很好的方案。

（5）自定义拒绝策略
以上 4 种拒绝策略均实现了RejectedExecutionHandler接口，若无法满足实际需要，则用户可以自己扩展RejectedExecutionHandler接口来实现拒绝策略，并捕获异常来实现自定义拒绝策略。

RejectedExecutionHandler`的定义如下：

其中r为请求执行的任务，executor为当前的线程池。

import java.util.concurrent.*;

public class RejectThreadPoolDemo 
    public static class MyTask implements Runnable 

        @Override
        public void run() 
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "thread id:" + Thread.currentThread().getId());
            try 
                Thread.sleep(100);
             catch (InterruptedException e) 
                e.printStackTrace();
            
        
    

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        MyTask task = new MyTask();
        //自定义线程池：5个常驻线程，最大线程数量也是5个
        ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(5, 5,
                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                //10个容量的等待队列
                new LinkedBlockingDeque<Runnable>(10),
                Executors.defaultThreadFactory(),
                new RejectedExecutionHandler() 
                    @Override
                    public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) 
                        System.out.println(r.toString() + " is discard");
                    
                );
        for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) 
            es.submit(task);
            Thread.sleep(10);
        
    

由于在这个案例中，MyTask执行需要花费100毫秒，因此，必然会导致大量的任务被直接丢弃。执行上述代码，输出如下：

可以看到，在执行几个任务后，拒绝策略就开始生效了。在实际应用中，我们可以将更详细的信息记录到日志中，来分析系统的负载和任务丢失的情况

六、5中常用的线程池

Java定义了Executor接口并在该接口中定义了execute()用于执行一个线程任务，然后通过ExecutorService实现Executor接口并执行具体的线程操作。

以上成员均在java.util.concurrent包中，是JDK并发包的核心类。其中，ThreadPoolExecutor表示一个线程池。Executors类则扮演着线程池工厂的角色，通过Executors可以取得一个拥有特定功能的线程池。

从UML图中亦可知，ThreadPoolExecutor类实现了Executor接口，因此通过这个接口，任何Runnable的对象都可以被ThreadPoolExecutor线程池调度。

ExecutorService接口有多个实现类可用于创建不同的线程池，如表3-2所示是5种常用的线程池。

1. newCachedThreadPool

newCachedThreadPool用于创建一个缓存线程池。之所以叫缓存线程池，是因为它在创建新线程时如果有可重用的线程，则重用它们，否则重新创建一个新的线程并将其添加到线程池中。对于执行时间很短的任务而言，newCachedThreadPool线程池能很大程度地重用线程进而提高系统的性能。

在线程池的keepAliveTime时间超过默认的60秒后，该线程会被终止并从缓存中移除，因此在没有线程任务运行时，newCachedThreadPool将不会占用系统的线程资源。

在创建线程时需要执行申请CPU和内存、记录线程状态、控制阻塞等多项工作，复杂且耗时。因此，在有执行时间很短的大量任务需要执行的情况下，newCachedThreadPool能够很好地复用运行中的线程（任务已经完成但未关闭的线程）资源来提高系统的运行效率。具体的创建方式如下：

ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

2. newFixedThreadPool

newFixedThreadPool用于创建一个固定线程数量的线程池，并将线程资源存放在队列中循环使用。在newFixedThreadPool线程池中，若处于活动状态的线程数量大于等于核心线程池的数量，则新提交的任务将在阻塞队列中排队，直到有可用的线程资源，具体的创建方式如下：

ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);

3. newScheduledThreadPool

newScheduledThreadPool创建了一个可定时调度的线程池，可设置在给定的延迟时间后执行或者定期执行某个线程任务：

4. newSingleThreadExecutor

newSingleThreadExecutor线程池会保证该方法返回一个只有一个线程的线程池。若多余一个任务被提交到该线程池，任务会被保存在一个任务队列中，待线程空闲，按先入先出的顺序执行队列中的任务。

在该线程停止或发生异常时，newSingleThreadExecutor线程池会启动一个新的线程来代替该线程继续执行任务：

5. newWorkStealingPool

newWorkStealingPool创建持有足够线程的线程池来达到快速运算的目的，在内部通过使用多个队列来减少各个线程调度产生的竞争。

这里所说的有足够的线程指JDK根据当前线程的运行需求向操作系统申请足够的线程，以保障线程的快速执行，并很大程度地使用系统资源，提高并发计算的效率，省去用户根据CPU资源估算并行度的过程。当然，如果开发者想自己定义线程的并发数，则也可以将其作为参数传入。

ExecutorService newWorkStealingPool = Executors.newWorkStealingPool();

六、面试题

1. 线程池的优点？
2. 设计一个线程池的思路？

（1）准备一个任务容器；
（2）一次性启动10个消费者线程；
（3）刚开始任务容器是空的，所以线程都wait在上面；
（4）直到一个外部线程往这个任务容器扔了一个“任务”，就会有一个消费者线程被唤醒notify；
（5）这个消费者线程取出“任务”，并且执行这个任务，执行完毕后，继续等待下一次任务的到来
（6）如果短时间内，有较多的任务加入，那么就会有多个线程被唤醒，去执行这些任务。
在整个过程中，都不需要创建新的线程，而是循环使用这些已经存在的线程

3. 为什么要用数据库连接池，几个参数介绍（阿里）？