Java面试高频技术线程池，源码笔记答案全纪录
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java面试高频技术线程池，源码笔记答案全纪录相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
课程的目标及受众
公开课受众:
有一定的java基础 (线程) ，尤其是正要或正准备找工作的童鞋
如果想在众多面试者中脱颖而出，你就需要多准备一些知识点，多刷一些面试题。 而对于企业而言，有这么多的选择 那我们就提高面试门槛，可能我需要的仅仅是CRUD的初中级，但我也希望你能了解 JVM、多线程、Spring源码、Sql优化、分布式架构等等，也是我们经常说的 面试造火箭 ，工作拧螺丝
公开课内容：
- 为什么要使用多线程
- 线程的生命周期
- 为什么要使用线程池
- 线程池的工作原理
- 线程池的核心参数解读
- 线程池的源码分析
- 线程池的实战使用
为什么要使用多线程
进程与线程
进程:
是执行中一段程序，即一旦程序被载入到内存中并准备执行，它就是一个进程。进程是表示资源分配的的基本概念，又是调度运行的基本单位，是系统中的并发执行的单位。
线程:
单个进程中执行中每个任务就是一个线程。线程是进程中执行运算的最小单位。
一个线程只能属于一个进程，但是一个进程可以拥有多个线程。
多线程处理就是允许一个进程中在同一时刻执行多个任务。
线程是一种轻量级的进程，与进程相比，线程给操作系统带来侧创建、维护、和管理的负担要轻，意味着线程的代价或开销比较小
实现程序异步处理
使用线程可以把占据时间长的程序中的任务放到后台去处理，程序的运行速度可能加快，在一些等待的任务实现上如用户输入、文件读写和网络收发数据等，线程就比较有用了。在这种情况下可以释放一些珍贵的资源如内存占用等等。
在web开发中， 经常会有一些操作 需要触发另一个操作， 而对触发操作的结果却不关心 。 如： 记录日志、计算、发通知如果使用同步的方式处理 性能低下 且 该操作报错会影响本身的方法
可以启动一个新线程，异步处理
利用CPU多核优势并行处理任务
如： 在定时任务中，数据批处理中，文件分片处理中
为什么要使用线程池
多线程的情况下确实可以最大限度发挥多核处理器的计算能力，提高系统的吞吐量和性能。但是如果随意使用线程，对系统的性能反而有不利影响。
线程生命周期
线程的创建 和 销毁都需要消耗系统资源
线程调度机制
CPU性能有限，当产生大量线程时，需要频繁根据时间片切换线程，而切换线程也会浪费大量系统性能
最终的结果，通过多线程不但没提升效率，反而让程序的效率变低。 甚至会因为大量线程的创建，造成系统内存不足而产生OOM
线程数量选择
过小会导致程序不能充分地利用系统资源、容易导致饥饿
过大会导致更多的线程上下文切换，占用更多内存
CPU 密集型运算
通常采用 cpu 核数 + 1 能够实现最优的 CPU 利用率，+1 是保证当线程由于页缺失故障（操作系统）或其它原因
导致暂停时，额外的这个线程就能顶上去，保证 CPU 时钟周期不被浪费
I/O 密集型运算
CPU 不总是处于繁忙状态，例如，当你执行业务计算时，这时候会使用 CPU 资源，但当你执行 I/O 操作时、远程
RPC 调用时，包括进行数据库操作时，这时候 CPU 就闲下来了，你可以利用多线程提高它的利用率。
经验公式如下
线程数 = 核数 * 期望 CPU 利用率 * 总时间(CPU计算时间+等待时间) / CPU 计算时间
例如 4 核 CPU 计算时间是 50% ，其它等待时间是 50%，期望 cpu 被 100% 利用，套用公式
4 * 100% * 100% / 50% = 8
例如 4 核 CPU 计算时间是 10% ，其它等待时间是 90%，期望 cpu 被 100% 利用，套用公式
4 * 100% * 100% / 10% = 40
线程池介绍
线程池是java在jdk1.5开始提供的一套框架，是为突然大量爆发的线程设计的，可以通过有限的几个固定线程为大量的操作服务，减少了创建和销毁线程所需的时间，从而提高效率。
Java中的线程池是运用场景最多的并发框架，几乎所有需要异步或并发执行任务的程序都可以使用线程池。
在开发过程中，合理地使用线程池能够带来3个好处。
第一：降低资源消耗。通过重复利用已创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。
第二：提高响应速度。当任务到达时，任务可以不需要等到线程创建就能立即执行。
第三：提高线程的可管理性。线程是稀缺资源，如果无限制地创建，不仅会消耗系统资源，
还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一分配、调优和监控。
线程池API类图
| 关键类或接口 | 含义 |
|---|---|
| Executor | 是一个接口，它是Executor框架的基础， 它将任务的提交与任务的执行分离开来 |
| ExecutorService | 线程池的主要接口,是Executor的子接口 |
| ThreadPoolExecutor | 是线程池的核心实现类，用来执行被提交的任务 |
| ScheduledThreadPoolExecutor | 另一个关键实现类，可以进行延迟或者定期执行任务。ScheduledThreadPoolExecutor比Timer定时器更灵活， 功能更强大 |
| Future接口与FutureTask实现类 | 代表异步计算的结果 |
| Runnable接口和Callable接口的实现类 | 都可以被ThreadPoolExecutor或 ScheduledThreadPoolExecutor执行的任务 |
| Executors | 线程池的工具类，可以快捷的创建线程池 |
但是，要做到合理利用线程池，必须对其实现原理了如指掌。
线程池的工作原理
任务的执行流程
提交一个任务到线程池中，线程池的处理流程如下：
流程1 判断核心线程数
判断正在运行的工作线程是否小于 设置的核心线程数，小于尝试创建一个
新的工作线程，如果不小于进入下一流程
流程2 判断任务队列
判断当前线程池的任务队列是否已满,未满的话将任务加入任务队列,如果满了,进入下一个流程
流程3 判断最大线程数
判断当前线程池的工作线程是否小于 设置的最大线程数，小于尝试创建一个新的临时工作线程，如果不小于进入下一流程
流程4 判断 饱和/拒绝 策略
到此流程，说明当前线程池已经饱和，需要进行拒绝策略,根据设置的拒绝策略进行处理
线程池中线程的复用
在线程池中，线程被创建后执行完任务后 不会立刻销毁
而是线程的任务本身就是一个while循环 通过getTask()方法 从workQueue 任务队列中调用要执行的任务，
获取到任务后， 会执行任务的run方法， 这样实现了任务的复用
线程池中线程的销毁
线程池中线程停止有下面几种情况:
1. 线程池中核心线程默认永远不会销毁 (可以通过allowCoreThreadTimeOut设置允许超时)，
而临时线程 如果空闲时间达到 keepAlivedTime + TimeUnit的值后 会被销毁
2. 如果调用线程池的 shutDown方法， 线程池会在workQueue中的任务执行完毕后 销毁所有线程，关闭线程池
3. 如果调用线程池的 shutDownNow方法， 线程池会立刻终止 ， workQueue中的未完成任务 会作为返回值返回
线程池的饱和策略
如果线程池 中工作线程数量已经达到最大线程，并且任务队列已满，说明线程池已经达到饱和状态
会执行参数中传入的拒绝策略 (实现 RejectedExecutionHandler接口 )
ThreadPoolExecutor中 内置了4种拒绝策略:
CallerRunsPolicy: 不丢弃任务，让线程池的调用者线程 参与执行任务
AbortPolicy: 丢弃后续的任务，并抛出异常
DiscardOldestPolicy: 丢弃任务队列中 存放最久的任务，不抛异常
DiscardPolicy: 丢弃后续任务，不抛异常
线程池的核心参数
Executor框架的最核心实现是ThreadPoolExecutor类，通过传入不同的参数，就可以构造出适用于不同应用场景下的线程池，那么它的底层原理是怎样实现的呢，下面就来介绍下ThreadPoolExecutor线程池的运行过程。
核心构造器参数
| 组件 | 含义 |
|---|---|
| int corePoolSize | 核心线程池的大小 |
| int maximumPoolSize | 最大线程池的大小 |
| BlockingQueue workQueue | 用来暂时保存任务的工作队列 |
| RejectedExecutionHandler | 当ThreadPoolExecutor已经关闭或ThreadPoolExecutor已经饱和时(达到了最大线程池的大小且工作队列已满)，execute()方法将要调用的Handler |
| long keepAliveTime, | 表示空闲线程的存活时间。 |
| TimeUnit | 表示keepAliveTime的单位。 |
| ThreadFactory threadFactory | 指定创建线程的线程工厂 |
线程池的三种队列
1.SynchronousQueue
SynchronousQueue没有容量，是无缓冲等待队列，是一个不存储元素的阻塞队列，会直接将任务交给消费者，必须等队列中的添加元素被消费后才能继续添加新的元素。
使用SynchronousQueue阻塞队列一般要求maximumPoolSizes为无界，避免线程拒绝执行操作。
2.LinkedBlockingQueue
LinkedBlockingQueue是一个无界缓存等待队列。当前执行的线程数量达到corePoolSize的数量时，剩余的元素会在阻塞队列里等待。（所以在使用此阻塞队列时maximumPoolSizes就相当于无效了），每个线程完全独立于其他线程。生产者和消费者使用独立的锁来控制数据的同步，即在高并发的情况下可以并行操作队列中的数据。
3.ArrayBlockingQueue
ArrayBlockingQueue是一个有界缓存等待队列，可以指定缓存队列的大小，当正在执行的线程数等于corePoolSize时，多余的元素缓存在ArrayBlockingQueue队列中等待有空闲的线程时继续执行，当ArrayBlockingQueue已满时，加入ArrayBlockingQueue失败，会开启新的线程去执行，当线程数已经达到最大的maximumPoolSizes时，再有新的元素尝试加入ArrayBlockingQueue时会报错。
线程池工具类
Executors是线程池的工具类，提供了四种快捷创建线程池的方法：
newCachedThreadPool
创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。
newFixedThreadPool
创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。
newSingleThreadExecutor
创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。
newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。
newCachedThreadPool
/**
* 创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。
*/
public void fun1()
// 创建线程池
ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
// 会创建出10个线程 分别执行任务
for (int i = 0; i < 10; i++)
es.execute(()->
for (int j = 0; j < 10; j++)
try
Thread.sleep(100);
catch (InterruptedException e)
e.printStackTrace();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + j);
);
es.shutdown();
newFixedThreadPool
/**
* 创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。
*/
public void fun2()
// 创建线程池
ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(2);
// 会创建出10个线程 分别执行任务
for (int i = 0; i < 10; i++)
es.execute(()->
try
Thread.sleep(400);
catch (InterruptedException e)
e.printStackTrace();
for (int j = 0; j < 10; j++)
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + j);
);
es.shutdown();
newSingleThreadExecutor
/**
* 创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行
*/
public void fun3()
// 创建线程池
ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor();
// 会创建出10个线程 分别执行任务
for (int i = 0; i < 10; i++)
es.execute(()->
try
Thread.sleep(400);
catch (InterruptedException e)
e.printStackTrace();
for (int j = 0; j < 10; j++)
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + j);
);
es.shutdown();
newScheduledThreadPool
/**
* 创建一个定长线程池，支持延迟及周期性任务执行。延迟执行示例代码如下
*/
public void fun4()
ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);
// 周期性执行任务（任务会执行多次）
// 参数1：任务 参数2：延迟时间 参数3：每隔长时间 参数4：时间单位
newScheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(()-> System.out.println("要执行的任务"), 3, 2, TimeUnit.SECONDS);
// 延迟执行任务（任务执行一次）
// 参数1：任务 参数2：延迟时间 参数3：时间单位
newScheduledThreadPool.schedule(()->System.out.println("要执行的任务"), 3,TimeUnit.SECONDS);
注意:
scheduleAtFixedRate ，是以上一个任务开始的时间计时，period时间过去后，检测上一个任务是否执行完毕，如果上一个任务执行完毕，则当前任务立即执行，如果上一个任务没有执行完毕，则需要等上一个任务执行完毕后立即执行。
scheduleWithFixedDelay，是以上一个任务结束时开始计时，period时间过去后，立即执行。
线程池源码解析
ThreadPoolExecutor源码分析
在线程池的实现中，Worker这个类是线程池的内部类，Worker对象是线程池实现的核心。在ThreadPoolExecutor中存放了一个
// 工作线程的集合
HashSet<Worker> workers = new HashSet<Worker>();
点进Worker类的源码中 发现Worker实现了Runnable接口，并且有两个属性一个线程对象，还有一个第一次要执行的任务
private final class Worker
extends AbstractQueuedSynchronizer
implements Runnable
// 执行工作的线程对象
final Thread thread;
// Worker要执行的第一个任务
Runnable firstTask;
查看Worker的构造方法
Worker(Runnable firstTask)
setState(-1);
// 传入worker第一次要执行的任务
this.firstTask = firstTask;
// 使用工厂对象创建线程, 并把worker本身传入
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
查看线程工厂对象的newThread类方法
public Thread newThread(Runnable r)
// new 了一个新的线程对象 并且把worker对象作为线程任务传入
Thread t = new Thread(group, r,
namePrefix + threadNumber.getAndIncrement(),
0);
return t;
查看Worker类当中的run方法:
// 线程任务 run方法
public void run()
runWorker(this);
// Worker的核心工作方法
final void runWorker(Worker w)
Thread wt = Thread.currentThread();
// 第一次要执行的任务 赋值给task
Runnable task = w.firstTask;
...
try
while (task != null || (task = getTask()) != null)
w.lock();
...
// 执行任务的run方法
task.run();
...
finally
// 任务执行完毕后，清空任务判断是否包含下一个任务
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
completedAbruptly = false;
finally
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
查看getTask方法如何获取任务:
private Runnable getTask()
boolean timedOut = false;
for (;;)
...
try
Runnable r = timed ?
// 下面两种方法都是在从 workQueue队列中获取任务
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
// 将取到的任务返回
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
catch (InterruptedException retry)
timedOut = false;
小结:
通过上面的源码分析得出，Worker对象是线程池工作的核心，一个Worker对象代表一个工作线程， 只要Worker内的线程的start方法被调用后，我们的worker对象内的run方法被线程执行，而run方法中则不断的从任务队列中获取 任务，并调用任务的run方法来执行，这样就达到了线程复用的目的。
那么Worker什么时候会被创建呢?
接着分析线程池的execute执行任务的方法
execute的执行源码
// execute执行方法源码分析
public void execute(Runnable command)
// 任务为空抛异常
if (command == null)
throw new NullPointerException();
// ctl 是 integer原子类 主要通过它记录两类信息，
// ctl作用: 1.记录线程池状态 2.记录线程池工作线程数量
// workerCountOf(c):判断worker数量
// isRunning(c): 判断线程池状态
// 1.如果当前worker数量小于corePoolSize 创建一个新的worker
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize)
// 创建worker 参数1：任务 参数2：添加核心还是临时线程
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
// 2.尝试向任务队列中添加任务，如果添加失败进入下移流程
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command))
// 添加成功 复查线程池状态
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
// 3.参数2：true => 添加核心工作线程 false => 添加临时工作线程
else if (!addWorker(command, false))
// 4. 如果添加失败，执行拒绝策略
reject(command);
总结:通过execute方法的源码，我们就已经看到了执行流程
在查看addWorker的方法，看看是如何添加一个worker的
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core)
retry:
for (;;)
...
// wc是工作线程的数量
// core为true 判断是否大于核心线程数量
// core为false 判断是否大于最大线程数量
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
...
// 准备创建worker
Worker w = null;
try
// 创建worker对象，构造器内会通过线程工厂创建一个线程 并且把worker对象作为任务传入
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null)
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try
...
// 将worker对象 存入到workers集合
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
finally
mainLock.unlock();
if (workerAdded)
// 启动worker内的线程
t.start();
workerStarted = true;
finally
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
return workerStarted;
小结:
可以看到，在execute方法中完全和我们前面将的流程一样，在addWorker方法中通过构造器创建了worker对象 并把它存入到了workers集合中，然后启动worker内线程的start方法，这样这个worker就会不断工作，不断的执行任务队列里面的任务
线程池实战场景
异步处理
在头条项目中， 热点评论的计算 和 搜索历史的记录需要异步执行， 使用spring提供的 @EnableAsync @Async使用线程池
并行请求
在电商项目的商品详情功能，要显示的数据分类非常多，需要从不同的微服务中获取， 如果直接的挨个调用Feign方法查询，使用串行方案效率很低，下面的商品详情是通过定义Callable任务， 在通过线程池异步的执行查询，最终汇总结果
并行处理
某公司每隔一个周期，会生成所有合作供应商的结算单，在定时任务中，查询所有供应商信息，因为每个供应商都需要统计相关数据，采用串行方案效率低，可以使用线程池 ，通过多个线程并行处理任务
:
可以看到，在execute方法中完全和我们前面将的流程一样，在addWorker方法中通过构造器创建了worker对象 并把它存入到了workers集合中，然后启动worker内线程的start方法，这样这个worker就会不断工作，不断的执行任务队列里面的任务
## 线程池实战场景
### 异步处理
在头条项目中， 热点评论的计算 和 搜索历史的记录需要异步执行， 使用spring提供的 @EnableAsync @Async使用线程池
### 并行请求
在电商项目的商品详情功能，要显示的数据分类非常多，需要从不同的微服务中获取， 如果直接的挨个调用Feign方法查询，使用串行方案效率很低，下面的商品详情是通过定义**Callable**任务， 在通过**线程池**异步的执行查询，最终汇总结果
### 并行处理
某公司每隔一个周期，会生成所有合作供应商的结算单，在定时任务中，查询所有供应商信息，因为每个供应商都需要统计相关数据，采用串行方案效率低，可以使用线程池 ，通过多个线程并行处理任务
以上是关于Java面试高频技术线程池，源码笔记答案全纪录的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
Java核心面试宝典Day14“线程池”高频面试题总结！✊✊✊