面渣逆袭：线程池夺命连环十八问

Posted 2021-12-12 三分恶

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了面渣逆袭：线程池夺命连环十八问相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

大家好，我是老三，很高兴又和大家见面。线程池是面试必问的知识点，这节我们来对线面试官，搞透线程池。

1. 什么是线程池？

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。

2. 能说说工作中线程池的应用吗？

之前我们有一个和第三方对接的需求，需要向第三方推送数据，引入了多线程来提升数据推送的效率，其中用到了线程池来管理线程。

主要代码如下：

完整可运行代码地址：https://gitee.com/fighter3/thread-demo.git

线程池的参数如下：

corePoolSize：线程核心参数选择了CPU数×2
maximumPoolSize：最大线程数选择了和核心线程数相同
keepAliveTime：非核心闲置线程存活时间直接置为0
unit：非核心线程保持存活的时间选择了 TimeUnit.SECONDS 秒
workQueue：线程池等待队列，使用 LinkedBlockingQueue阻塞队列

同时还用了synchronized 来加锁，保证数据不会被重复推送：

  synchronized (PushProcessServiceImpl.class) {}

ps:这个例子只是简单地进行了数据推送，实际上还可以结合其他的业务，像什么数据清洗啊、数据统计啊，都可以套用。

3.能简单说一下线程池的工作流程吗？

用一个通俗的比喻：

有一个营业厅，总共有六个窗口，现在开放了三个窗口，现在有三个窗口坐着三个营业员小姐姐在营业。

老三去办业务，可能会遇到什么情况呢？

老三发现有空间的在营业的窗口，直接去找小姐姐办理业务。

老三发现没有空闲的窗口，就在排队区排队等。

老三发现没有空闲的窗口，等待区也满了，蚌埠住了，经理一看，就让休息的小姐姐赶紧回来上班，等待区号靠前的赶紧去新窗口办，老三去排队区排队。小姐姐比较辛苦，假如一段时间发现他们可以不用接着营业，经理就让她们接着休息。

老三一看，六个窗口都满了，等待区也没位置了。老三急了，要闹，经理赶紧出来了，经理该怎么办呢？

我们银行系统已经瘫痪

谁叫你来办的你找谁去

看你比较急，去队里加个塞

今天没办法，不行你看改一天

上面的这个流程几乎就跟 JDK 线程池的大致流程类似，

营业中的 3个窗口对应核心线程池数：corePoolSize
总的营业窗口数6对应：maximumPoolSize
打开的临时窗口在多少时间内无人办理则关闭对应：unit
排队区就是等待队列：workQueue
无法办理的时候银行给出的解决方法对应：RejectedExecutionHandler
threadFactory 该参数在 JDK 中是线程工厂，用来创建线程对象，一般不会动。

所以我们线程池的工作流程也比较好理解了：

线程池刚创建时，里面没有一个线程。任务队列是作为参数传进来的。不过，就算队列里面有任务，线程池也不会马上执行它们。
当调用 execute() 方法添加一个任务时，线程池会做如下判断：

如果正在运行的线程数量小于 corePoolSize，那么马上创建线程运行这个任务；
如果正在运行的线程数量大于或等于 corePoolSize，那么将这个任务放入队列；
如果这时候队列满了，而且正在运行的线程数量小于 maximumPoolSize，那么还是要创建非核心线程立刻运行这个任务；
如果队列满了，而且正在运行的线程数量大于或等于 maximumPoolSize，那么线程池会根据拒绝策略来对应处理。

当一个线程完成任务时，它会从队列中取下一个任务来执行。
当一个线程无事可做，超过一定的时间（keepAliveTime）时，线程池会判断，如果当前运行的线程数大于 corePoolSize，那么这个线程就被停掉。所以线程池的所有任务完成后，它最终会收缩到 corePoolSize 的大小。

4.线程池主要参数有哪些？

corePoolSize

此值是用来初始化线程池中核心线程数，当线程池中线程池数< corePoolSize时，系统默认是添加一个任务才创建一个线程池。当线程数 = corePoolSize时，新任务会追加到workQueue中。

maximumPoolSize

maximumPoolSize表示允许的最大线程数 = (非核心线程数+核心线程数)，当BlockingQueue也满了，但线程池中总线程数 < maximumPoolSize时候就会再次创建新的线程。

keepAliveTime

非核心线程 =(maximumPoolSize - corePoolSize ) ,非核心线程闲置下来不干活最多存活时间。

unit

线程池中非核心线程保持存活的时间的单位

TimeUnit.DAYS; 天
TimeUnit.HOURS; 小时
TimeUnit.MINUTES; 分钟
TimeUnit.SECONDS; 秒
TimeUnit.MILLISECONDS; 毫秒
TimeUnit.MICROSECONDS; 微秒
TimeUnit.NANOSECONDS; 纳秒

workQueue

线程池等待队列，维护着等待执行的Runnable对象。当运行当线程数= corePoolSize时，新的任务会被添加到workQueue中，如果workQueue也满了则尝试用非核心线程执行任务，等待队列应该尽量用有界的。

threadFactory

创建一个新线程时使用的工厂，可以用来设定线程名、是否为daemon线程等等。

handler

corePoolSize、workQueue、maximumPoolSize都不可用的时候执行的饱和策略。

5.线程池的拒绝策略有哪些？

类比前面的例子，无法办理业务时的处理方式，帮助记忆：

AbortPolicy ：直接抛出异常，默认使用此策略
CallerRunsPolicy：用调用者所在的线程来执行任务
DiscardOldestPolicy：丢弃阻塞队列里最老的任务，也就是队列里靠前的任务
DiscardPolicy ：当前任务直接丢弃

想实现自己的拒绝策略，实现RejectedExecutionHandler接口即可。

6.线程池有哪几种工作队列？

常用的阻塞队列主要有以下几种：

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）是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）是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。

7.线程池提交execute和submit有什么区别？

execute 用于提交不需要返回值的任务

threadsPool.execute(new Runnable() { 
    @Override public void run() { 
        // TODO Auto-generated method stub } 
    });

submit()方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个future类型的对象，通过这个 future对象可以判断任务是否执行成功，并且可以通过future的get()方法来获取返回值

Future<Object> future = executor.submit(harReturnValuetask); 
try { Object s = future.get(); } catch (InterruptedException e) { 
    // 处理中断异常 
} catch (ExecutionException e) { 
    // 处理无法执行任务异常 
} finally { 
    // 关闭线程池 executor.shutdown();
}

8.线程池怎么关闭知道吗？

可以通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池。它们的原理是遍历线程池中的工作线程，然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。

shutdown() 将线程池状态置为shutdown,并不会立即停止：

停止接收外部submit的任务
内部正在跑的任务和队列里等待的任务，会执行完
等到第二步完成后，才真正停止

shutdownNow() 将线程池状态置为stop。一般会立即停止，事实上不一定：

和shutdown()一样，先停止接收外部提交的任务
忽略队列里等待的任务
尝试将正在跑的任务interrupt中断
返回未执行的任务列表

shutdown 和shutdownnow简单来说区别如下：

shutdownNow()能立即停止线程池，正在跑的和正在等待的任务都停下了。这样做立即生效，但是风险也比较大。shutdown()只是关闭了提交通道，用submit()是无效的；而内部的任务该怎么跑还是怎么跑，跑完再彻底停止线程池。

9.线程池的线程数应该怎么配置？

线程在Java中属于稀缺资源，线程池不是越大越好也不是越小越好。任务分为计算密集型、IO密集型、混合型。

计算密集型：大部分都在用CPU跟内存，加密，逻辑操作业务处理等。
IO密集型：数据库链接，网络通讯传输等。

计算密集型一般推荐线程池不要过大，一般是CPU数 + 1，+1是因为可能存在页缺失(就是可能存在有些数据在硬盘中需要多来一个线程将数据读入内存)。如果线程池数太大，可能会频繁的进行线程上下文切换跟任务调度。获得当前CPU核心数代码如下：

Runtime.getRuntime().availableProcessors();

IO密集型：线程数适当大一点，机器的Cpu核心数*2。
混合型：可以考虑根绝情况将它拆分成CPU密集型和IO密集型任务，如果执行时间相差不大，拆分可以提升吞吐量，反之没有必要。

当然，实际应用中没有固定的公式，需要结合测试和监控来进行调整。

10.有哪几种常见的线程池？

主要有四种，都是通过工具类Excutors创建出来的，阿里巴巴《Java开发手册》里禁止使用这种方式来创建线程池。

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)

11.能说一下四种常见线程池的原理吗？

前三种线程池的构造直接调用ThreadPoolExecutor的构造方法。

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
阻塞队列是无界队列LinkedBlockingQueue，可能会导致OOM
keepAliveTime为0

工作流程：

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，将任务加到阻塞队列
当前的唯一线程，从队列取任务，执行完一个，再继续取，一个线程执行任务。

适用场景

适用于串行执行任务的场景，一个任务一个任务地执行。

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，可能会导致OOM

工作流程：

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。

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，即无限大，可能会因为无限创建线程，导致OOM
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。

工作流程：

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。

适用场景

用于并发执行大量短期的小任务。

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，也有OOM的风险
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

线程从DelayQueue中获取已到期的ScheduledFutureTask（DelayQueue.take()）。到期任务是指ScheduledFutureTask的time大于等于当前时间。
线程执行这个ScheduledFutureTask。
线程修改ScheduledFutureTask的time变量为下次将要被执行的时间。
线程把这个修改time之后的ScheduledFutureTask放回DelayQueue中（DelayQueue.add()）。

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

12.使用无界队列的线程池会导致什么问题吗？

例如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，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。

13.线程池异常怎么处理知道吗？

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。

常见的异常处理方式：

14.能说一下线程池有几种状态吗？

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

15.线程池如何实现参数的动态修改？

线程池提供了几个 setter方法来设置线程池的参数。

这里主要有两个思路：

在我们微服务的架构下，可以利用配置中心如Nacos、Apollo等等，也可以自己开发配置中心。业务服务读取线程池配置，获取相应的线程池实例来修改线程池的参数。
如果限制了配置中心的使用，也可以自己去扩展ThreadPoolExecutor，重写方法，监听线程池参数变化，来动态修改线程池参数。

16.线程池调优了解吗？

线程池配置没有固定的公式，通常事前会对线程池进行一定评估，常见的评估方案如下：

上线之前也要进行充分的测试，上线之后要建立完善的线程池监控机制。

事中结合监控告警机制，分析线程池的问题，或者可优化点，结合线程池动态参数配置机制来调整配置。

事后要注意仔细观察，随时调整。

具体的调优案例可以查看参考[7]美团技术博客。

17.你能设计实现一个线程池吗？

⭐这道题在阿里的面试中出现频率比较高

线程池实现原理可以查看要是以前有人这么讲线程池，我早就该明白了！，当然，我们自己实现，只需要抓住线程池的核心流程-参考[6]：

我们自己的实现就是完成这个核心流程：

线程池中有N个工作线程
把任务提交给线程池运行
如果线程池已满，把任务放入队列
最后当有空闲时，获取队列中任务来执行

实现代码[6]：

public class MyThreadPoolExecutor implements Executor {

    //记录线程池中线程数量
    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(0);

    //核心线程数
    private volatile int corePoolSize;
    //最大线程数
    private volatile int maximumPoolSize;

    //阻塞队列
    private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;

    public MyThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
        this.corePoolSize = corePoolSize;
        this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
        this.workQueue = workQueue;
    }

    /**
     * 执行
     *
     * @param command
     */
    @Override
    public void execute(Runnable command) {
        //工作线程数
        int c = ctl.get();
        //小于核心线程数
        if (c < corePoolSize) {
            //添加任务失败
            if (!addWorker(command)) {
                //执行拒绝策略
                reject();
            }
            return;
        }
        //任务队列添加任务
        if (!workQueue.offer(command)) {
            //任务队列满，尝试启动线程添加任务
            if (!addWorker(command)) {
                reject();
            }
        }
    }

    /**
     * 饱和拒绝
     */
    private void reject() {
        //直接抛出异常
        throw new RuntimeException("Can not execute!ctl.count："
                + ctl.get() + "workQueue size：" + workQueue.size());
    }

    /**
     * 添加任务
     *
     * @param firstTask
     * @return
     */
    private boolean addWorker(Runnable firstTask) {
        if (ctl.get() >= maximumPoolSize) return false;
        Worker worker = new Worker(firstTask);
        //启动线程
        worker.thread.start();
        ctl.incrementAndGet();
        return true;
    }

    /**
     * 线程池工作线程包装类
     */
    private final class Worker implements Runnable {
        final Thread thread;
        Runnable firstTask;

        public Worker(Runnable firstTask) {
            this.thread = new Thread(this);
            this.firstTask = firstTask;
        }

        @Override
        public void run() {
            Runnable task = firstTask;
            try {
                //执行任务
                while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                    task.run();
                    //线程池已满，跳出循环
                    if (ctl.get() > maximumPoolSize) {
                        break;
                    }
                    task = null;
                }
            } finally {
                //工作线程数增加
                ctl.decrementAndGet();
            }
        }

        /**
         * 从队列中获取任务
         *
         * @return
         */
        private Runnable getTask() {
            for (; ; ) {
                try {
                    System.out.println("workQueue size:" + workQueue.size());
                    return workQueue.take();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    //测试
    public static void main(String[] args) {
        MyThreadPoolExecutor myThreadPoolExecutor = new MyThreadPoolExecutor(2, 2,
                new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10));
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int taskNum = i;
            myThreadPoolExecutor.execute(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(1500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("任务编号：" + taskNum);
            });
        }
    }
}