Java核心技术面试精讲（第二十一讲）| Java并发类库提供的线程池有哪几种？分别有什么特点？

不念不忘少年蓝@ 2022-11-03 10:59 91阅读 0赞

我在专栏第 17 讲中介绍过线程是不能够重复启动的，创建或销毁线程存在一定的开销，所以利用线程池技术来提高系统资源利用效率，并简化线程管理，已经是非常成熟的选择。

今天我要问你的问题是，Java 并发类库提供的线程池有哪几种？ 分别有什么特点？

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### 典型回答 ###

通通常开发者都是利用 Executors 提供的通用线程池创建方法，去创建不同配置的线程池，主要区别在于不同的 ExecutorService 类型或者不同的初始参数。

Executors 目前提供了 5 种不同的线程池创建配置：

*  newCachedThreadPool()，它是一种用来处理大量短时间工作任务的线程池，具有几个鲜明特点：它会试图缓存线程并重用，当无缓存线程可用时，就会创建新的工作线程；如果线程闲置的时间超过 60 秒，则被终止并移出缓存；长时间闲置时，这种线程池，不会消耗什么资源。其内部使用 SynchronousQueue 作为工作队列。
 *  newFixedThreadPool(int nThreads)，重用指定数目（nThreads）的线程，其背后使用的是无界的工作队列，任何时候最多有 nThreads 个工作线程是活动的。这意味着，如果任务数量超过了活动队列数目，将在工作队列中等待空闲线程出现；如果有工作线程退出，将会有新的工作线程被创建，以补足指定的数目 nThreads。
 *  newSingleThreadExecutor()，它的特点在于工作线程数目被限制为 1，操作一个无界的工作队列，所以它保证了所有任务的都是被顺序执行，最多会有一个任务处于活动状态，并且不允许使用者改动线程池实例，因此可以避免其改变线程数目。
 *  newSingleThreadScheduledExecutor() 和 newScheduledThreadPool(int corePoolSize)，创建的是个 ScheduledExecutorService，可以进行定时或周期性的工作调度，区别在于单一工作线程还是多个工作线程。
 *  newWorkStealingPool(int parallelism)，这是一个经常被人忽略的线程池，Java 8 才加入这个创建方法，其内部会构建[ForkJoinPool][]，利用[Work-Stealing][]算法，并行地处理任务，不保证处理顺序。

### 考点分析 ###

Java 并发包中的 Executor 框架无疑是并发编程中的重点，今天的题目考察的是对几种标准线程池的了解，我提供的是一个针对最常见的应用方式的回答。

在大多数应用场景下，使用 Executors 提供的 5 个静态工厂方法就足够了，但是仍然可能需要直接利用 ThreadPoolExecutor 等构造函数创建，这就要求你对线程构造方式有进一步的了解，你需要明白线程池的设计和结构。

另外，线程池这个定义就是个容易让人误解的术语，因为 ExecutorService 除了通常意义上“池”的功能，还提供了更全面的线程管理、任务提交等方法。

Executor 框架可不仅仅是线程池，我觉得至少下面几点值得深入学习：

*  掌握 Executor 框架的主要内容，至少要了解组成与职责，掌握基本开发用例中的使用。
 *  对线程池和相关并发工具类型的理解，甚至是源码层面的掌握。
 *  实践中有哪些常见问题，基本的诊断思路是怎样的。
 *  如何根据自身应用特点合理使用线程池。

### 知识扩展 ###

首先，我们来看看 Executor 框架的基本组成，请参考下面的类图。

![a21753c2e4ada8b9d21219f1a0f1f942.png][]

我们从整体上把握一下各个类型的主要设计目的：

*  Executor 是一个基础的接口，其初衷是将任务提交和任务执行细节解耦，这一点可以体会其定义的唯一方法。

void execute(Runnable command);

Executor 的设计是源于 Java 早期线程 API 使用的教训，开发者在实现应用逻辑时，被太多线程创建、调度等不相关细节所打扰。就像我们进行 HTTP 通信，如果还需要自己操作 TCP 握手，开发效率低下，质量也难以保证。

ExecutorService 则更加完善，不仅提供 service 的管理功能，比如 shutdown 等方法，也提供了更加全面的提交任务机制，如返回[Future][]而不是 void 的 submit 方法。

<T> Future<T> submit(Callable<T> task);

注意，这个例子输入的可是[Callable][]，它解决了 Runnable 无法返回结果的困扰。

*  Java 标准类库提供了几种基础实现，比如[ThreadPoolExecutor][]、[ScheduledThreadPoolExecutor][]、[ForkJoinPool][]。这些线程池的设计特点在于其高度的可调节性和灵活性，以尽量满足复杂多变的实际应用场景，我会进一步分析其构建部分的源码，剖析这种灵活性的源头。
 *  Executors 则从简化使用的角度，为我们提供了各种方便的静态工厂方法。

下面我就从源码角度，分析线程池的设计与实现，我将主要围绕最基础的 ThreadPoolExecutor 源码。ScheduledThreadPoolExecutor 是 ThreadPoolExecutor 的扩展，主要是增加了调度逻辑，如想深入了解，你可以参考相关[教程][Link 1]。而 ForkJoinPool 则是为 ForkJoinTask 定制的线程池，与通常意义的线程池有所不同。

这部分内容比较晦涩，罗列概念也不利于你去理解，所以我会配合一些示意图来说明。在现实应用中，理解应用与线程池的交互和线程池的内部工作过程，你可以参考下图。

![0009496d107caf61db85514b99b92a77.png][]

简单理解一下：

*  工作队列负责存储用户提交的各个任务，这个工作队列，可以是容量为 0 的 SynchronousQueue（使用 newCachedThreadPool），也可以是像固定大小线程池（newFixedThreadPool）那样使用 LinkedBlockingQueue。

private final BlockingQueue workQueue;

线程池的工作线程被抽象为静态内部类 Worker，基于[AQS][]实现。

*  ThreadFactory 提供上面所需要的创建线程逻辑。
 *  如果任务提交时被拒绝，比如线程池已经处于 SHUTDOWN 状态，需要为其提供处理逻辑，Java 标准库提供了类似[ThreadPoolExecutor.AbortPolicy][]等默认实现，也可以按照实际需求自定义。

从上面的分析，就可以看出线程池的几个基本组成部分，一起都体现在线程池的构造函数中，从字面我们就可以大概猜测到其用意：

*  corePoolSize，所谓的核心线程数，可以大致理解为长期驻留的线程数目（除非设置了 allowCoreThreadTimeOut）。对于不同的线程池，这个值可能会有很大区别，比如 newFixedThreadPool 会将其设置为 nThreads，而对于 newCachedThreadPool 则是为 0。
 *  maximumPoolSize，顾名思义，就是线程不够时能够创建的最大线程数。同样进行对比，对于 newFixedThreadPool，当然就是 nThreads，因为其要求是固定大小，而 newCachedThreadPool 则是 Integer.MAX\_VALUE。
 *  keepAliveTime 和 TimeUnit，这两个参数指定了额外的线程能够闲置多久，显然有些线程池不需要它。
 *  workQueue，工作队列，必须是 BlockingQueue。

过配置不同的参数，我们就可以创建出行为大相径庭的线程池，这就是线程池高度灵活性的基础。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                            int maximumPoolSize,
                            long keepAliveTime,
                            TimeUnit unit,
                            BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                            ThreadFactory threadFactory,
                            RejectedExecutionHandler handler)

进一步分析，线程池既然有生命周期，它的状态是如何表征的呢？

这里有一个非常有意思的设计，ctl 变量被赋予了双重角色，通过高低位的不同，既表示线程池状态，又表示工作线程数目，这是一个典型的高效优化。试想，实际系统中，虽然我们可以指定线程极限为 Integer.MAX\_VALUE，但是因为资源限制，这只是个理论值，所以完全可以将空闲位赋予其他意义。

private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
    // 真正决定了工作线程数的理论上限 
    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
    private static final int COUNT_MASK = (1 << COUNT_BITS) - 1;
    // 线程池状态，存储在数字的高位
    private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
    …
    // Packing and unpacking ctl
    private static int runStateOf(int c)  { return c & ~COUNT_MASK; }
    private static int workerCountOf(int c)  { return c & COUNT_MASK; }
    private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

为了让你能对线程生命周期有个更加清晰的印象，我这里画了一个简单的状态流转图，对线程池的可能状态和其内部方法之间进行了对应，如果有不理解的方法，请参考 Javadoc。**注意**，实际 Java 代码中并不存在所谓 Idle 状态，我添加它仅仅是便于理解。

![911d8324161921e1c61589ae81d53286.png][]

前面都是对线程池属性和构建等方面的分析，下面我选择典型的 execute 方法，来看看其是如何工作的，具体逻辑请参考我添加的注释，配合代码更加容易理解。

public void execute(Runnable command) {
    …
      int c = ctl.get();
    // 检查工作线程数目，低于corePoolSize则添加Worker
      if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
          if (addWorker(command, true))
              return;
          c = ctl.get();
      }
    // isRunning就是检查线程池是否被shutdown
    // 工作队列可能是有界的，offer是比较友好的入队方式
      if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
          int recheck = ctl.get();
    // 再次进行防御性检查
          if (! isRunning(recheck) && remove(command))
              reject(command);
          else if (workerCountOf(recheck) == 0)
              addWorker(null, false);
      }
    // 尝试添加一个worker，如果失败意味着已经饱和或者被shutdown了
      else if (!addWorker(command, false))
          reject(command);
    }

**线程池实践**

线程池虽然为提供了非常强大、方便的功能，但是也不是银弹，使用不当同样会导致问题。我这里介绍些典型情况，经过前面的分析，很多方面可以自然的推导出来。

*  避免任务堆积。前面我说过 newFixedThreadPool 是创建指定数目的线程，但是其工作队列是无界的，如果工作线程数目太少，导致处理跟不上入队的速度，这就很有可能占用大量系统内存，甚至是出现 OOM。诊断时，你可以使用 jmap 之类的工具，查看是否有大量的任务对象入队。
 *  避免过度扩展线程。我们通常在处理大量短时任务时，使用缓存的线程池，比如在最新的 HTTP/2 client API 中，目前的默认实现就是如此。我们在创建线程池的时候，并不能准确预计任务压力有多大、数据特征是什么样子（大部分请求是 1K 、100K 还是 1M 以上？），所以很难明确设定一个线程数目。
 *  另外，如果线程数目不断增长（可以使用 jstack 等工具检查），也需要警惕另外一种可能性，就是线程泄漏，这种情况往往是因为任务逻辑有问题，导致工作线程迟迟不能被释放。建议你排查下线程栈，很有可能多个线程都是卡在近似的代码处。
 *  避免死锁等同步问题，对于死锁的场景和排查，你可以复习专栏第 18 讲。
 *  尽量避免在使用线程池时操作 ThreadLocal，同样是专栏第 17 讲已经分析过的，通过今天的线程池学习，应该更能理解其原因，工作线程的生命周期通常都会超过任务的生命周期。

**线程池大小的选择策略**

上面我已经介绍过，线程池大小不合适，太多或太少，都会导致麻烦，所以我们需要去考虑一个合适的线程池大小。虽然不能完全确定，但是有一些相对普适的规则和思路。

*  如果我们的任务主要是进行计算，那么就意味着 CPU 的处理能力是稀缺的资源，我们能够通过大量增加线程数提高计算能力吗？往往是不能的，如果线程太多，反倒可能导致大量的上下文切换开销。所以，这种情况下，通常建议按照 CPU 核的数目 N 或者 N+1。
 *  如果是需要较多等待的任务，例如 I/O 操作比较多，可以参考 Brain Goetz 推荐的计算方法：

线程数 = CPU核数 × 目标CPU利用率 ×（1 + 平均等待时间/平均工作时间）

这些时间并不能精准预计，需要根据采样或者概要分析等方式进行计算，然后在实际中验证和调整。

*  上面是仅仅考虑了 CPU 等限制，实际还可能受各种系统资源限制影响，例如我最近就在 Mac OS X 上遇到了大负载时[ephemeral 端口受限][ephemeral]的情况。当然，我是通过扩大可用端口范围解决的，如果我们不能调整资源的容量，那么就只能限制工作线程的数目了。这里的资源可以是文件句柄、内存等。

另外，在实际工作中，不要把解决问题的思路全部指望到调整线程池上，很多时候架构上的改变更能解决问题，比如利用背压机制的[Reactive Stream][]、合理的拆分等。

今天，我从 Java 创建的几种线程池开始，对 Executor 框架的主要组成、线程池结构与生命周期等方面进行了讲解和分析，希望对你有所帮助。

### 一课一练 ###

关于今天我们讨论的题目你做到心中有数了吗？今天的思考题是从逻辑上理解，线程池创建和生命周期。请谈一谈，如果利用 newSingleThreadExecutor() 创建一个线程池，corePoolSize、maxPoolSize 等都是什么数值？ThreadFactory 可能在线程池生命周期中被使用多少次？怎么验证自己的判断？

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### 其他经典回答 ###

以下来自网友I am a psycho的回答：

通过看源码可以得知，core和max都是1，而且通过FinalizableDelegatedExecutorService进行了包装，保证线程池无法修改。同时shutdown方法通过调用interruptIdleWorkers方法，去停掉没有工作的线程，而shutdownNow方法是直接粗暴的停掉所有线程。无论是shutdown还是shutdownNow都不会进行等待，都会直接将线程池状态设置成shutdown或者stop，如果需要等待，需要调用awaitTernination方法。查找了一下threadFactory的使用，只找到了在worker创建的时候，用来初始化了线程。

以下来自网友三木子的回答：

我觉得还有一点很重要，就是放在线程池中的线程要捕获异常，如果直接抛出异常，每次都会创建线程，也就等于线程池没有发挥作用，如果大并发下一直创建线程可能会导致JVM挂掉。最近遇到的一个坑

作者回复: 任务出异常是要避免

以下来自网友Harry陈祥的回答：

老师您好。有次面试，面试官问：为什么java的线程池当核心线程满了以后，先往blockingQueue中存任务，queue满了以后才会创建非核心线程？ 是在问，为什么要这么设计？  
请问这个问题应该怎么回答？

网友澤的回复：

如果先增加非核心线程再加入队列，那么有可能会出现频繁的创建和销毁线程的情况，线程是稀有资源，频繁的创建和销毁线程正是线程池所避讳的。如果先阻塞队列满了再增加非核心线程，则可以表明一段时间内任务数是在稳步提升并且大于核心线程的处理速度的，这种情况下适合创建非核心线程。

[ForkJoinPool]: https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/util/concurrent/ForkJoinPool.html
[Work-Stealing]: https://en.wikipedia.org/wiki/Work_stealing
[a21753c2e4ada8b9d21219f1a0f1f942.png]: /images/20221024/f452ec6cbfbf4db58309f4c112b2925f.png
[Future]: https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/util/concurrent/Future.html
[Callable]: https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/util/concurrent/Callable.html
[ThreadPoolExecutor]: https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/util/concurrent/ThreadPoolExecutor.html
[ScheduledThreadPoolExecutor]: https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/util/concurrent/ScheduledThreadPoolExecutor.html
[Link 1]: https://www.journaldev.com/2340/java-scheduler-scheduledexecutorservice-scheduledthreadpoolexecutor-example
[0009496d107caf61db85514b99b92a77.png]: /images/20221024/c8551b860b3a41ef931ea00d2a81b123.png
[AQS]: https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/util/concurrent/locks/AbstractQueuedSynchronizer.html
[ThreadPoolExecutor.AbortPolicy]: https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/util/concurrent/ThreadPoolExecutor.AbortPolicy.html
[911d8324161921e1c61589ae81d53286.png]: /images/20221024/a53f7bfba3ae415db87e66605ada35c7.png
[ephemeral]: http://danielmendel.github.io/blog/2013/04/07/benchmarkers-beware-the-ephemeral-port-limit/
[Reactive Stream]: http://www.reactive-streams.org/