【Java】如何优雅的关闭线程池

╰半夏微凉° 2023-10-12 19:01 75阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  背景
 *  一、线程中断 interrupt
 *  二、线程池的关闭 shutdown 方法
 *   *  2.1、第一步：advanceRunState(SHUTDOWN) 把线程池置为 SHUTDOWN
     *  2.2、第二步：interruptIdleWorkers() 把空闲的工作线程置为中断
     *  2.3、 第三步：onShutdown() 一个空实现，暂不用关注
     *  2.4、 小结
 *  三、线程池的关闭 shutdownNow 方式
 *   *  3.1、第一步：advanceRunState() 把线程池设置为STOP
     *  3.2、 第二步：interruptWorkers() 中断工作线程
     *  3.3、第三步：drainQueue() 把线程池中的任务都 drain 出来
     *  3.4、小结
 *  四、实战，与 JVM 钩子配合
 *  五、总结

## 背景 ##

前几天在和同事聊一个需求，说是有个数据查询的功能，因为涉及到多个第三方接口调用，想用线程池并行来做。

很正常的一个方案，但是上线后发现，每次服务发布的时候，这个数据查询的功能就会挂掉，后来发现是线程池没有做好关闭，这里总结一下。

关键字：线程池、shutdown、shutdownNow、interrupt

## 一、线程中断 interrupt ##

先补一补基础的知识：线程中断。  
线程中断的含义，并不是强制把运行中的线程给“咔嚓”中断，而是把线程的中断标志位置为true，这样等线程之后阻塞（wait、join、sleep）的时候，就会抛出 InterruptedException，程序通过捕获 InterruptedException 来做一定的善后处理，然后让线程退出。

来看个例子，下面这段代码是起一个线程，打印一百行文本，打印过程中，会把线程的中断标志位置为true

public static void test02() throws InterruptedException {
        
    
        Thread t = new Thread(() -> {
        
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
        
            System.out.println("process i=" + i + "，interrupted：" + Thread.currentThread().isInterrupted());
        }
        });
        t.start();
        Thread.sleep(1);
        t.interrupt();
    }

看看控制台的输出，发现在打印到 57 的时候，中断标志位已经成功置为true了，但是线程任然在打印，说明只是设置了中断标志位，而不是直接粗暴的把线程中断。

...
    process i=55，interrupted：false
    process i=56，interrupted：false
    process i=57，interrupted：true
    process i=58，interrupted：true
    process i=59，interrupted：true
    ...

再看看这个示例，同样是打印一百行文本，打印过程中会判断中断标志位，如果中断就自行退出。

public static void test02() throws InterruptedException {
        
    
        Thread t = new Thread(() -> {
        
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
        
            if (Thread.interrupted()) {
        
                System.out.println("线程已中断，退出执行");
                break;
            }
            System.out.println("process i=" + i + "，interrupted：" + Thread.currentThread().isInterrupted());
        }
        });
        t.start();
        Thread.sleep(1);
        t.interrupt();
    }

控制台输出如下，：

process i=49，interrupted：false
    process i=50，interrupted：false
    process i=51，interrupted：false

线程已中断，退出执行

## 二、线程池的关闭 shutdown 方法 ##

了解完线程中断，再来看看线程池的关闭方法。

关闭线程池有两个方法 shutdown() 和 shutdownNow()，具体有什么区别？我们先来看看 shutdown() 方法

/**
         * Initiates an orderly shutdown in which previously submitted
         * tasks are executed, but no new tasks will be accepted.
         * Invocation has no additional effect if already shut down.
         *
         * <p>This method does not wait for previously submitted tasks to
         * complete execution.  Use {@link #awaitTermination awaitTermination}
         * to do that.
         *
         * @throws SecurityException {@inheritDoc}
         */
        public void shutdown() {
        
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
        
                checkShutdownAccess();
                advanceRunState(SHUTDOWN); // 1. 把线程池的状态设置为 SHUTDOWN
                interruptIdleWorkers(); // 2. 把空闲的工作线程置为中断
                onShutdown(); // 3. 一个空实现，暂不用关注
            } finally {
        
                mainLock.unlock();
            }
            tryTerminate();
        }

看源码先看注释，翻译下：

> 启动有序关闭会执行以前提交的任务，但不接受任何新任务。  
> 如果已经关闭，则调用不会产生额外的影响。  
> 此方法不等待活动执行的任务终止。如果需要，可使用 awaitTermination() 做到这一点。

### 2.1、第一步：advanceRunState(SHUTDOWN) 把线程池置为 SHUTDOWN ###

线程池状态流转如下。调用 shutdown() 方法会把线程池的状态置为 SHUTDOWN，后续再往线程池提交任务就会被拒绝（execute() 方法中做了判断）。

![在这里插入图片描述][c7ea33b31c0d4d5aad5c00cf8c3123a7.png]

### 2.2、第二步：interruptIdleWorkers() 把空闲的工作线程置为中断 ###

interruptIdleWorkers() 方法遍历所有的工作线程，如果 tryLock() 成功，就把线程置为中断。  
这里，如果 tryLock() 成功，说明对应的 woker 是一个空闲的，没有在执行任务的线程，如果没成功，说明对应的 worker 正在执行任务。也就是说，这里的中断，对正在执行中的任务并没有影响。

private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {
        
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
        
                for (Worker w : workers) {
        
                    Thread t = w.thread;
                    if (!t.isInterrupted() && w.tryLock()) {
        
                        try {
        
                            t.interrupt();
                        } catch (SecurityException ignore) {
        
                        } finally {
        
                            w.unlock();
                        }
                    }
                    if (onlyOne)
                        break;
                }
            } finally {
        
                mainLock.unlock();
            }
        }

### 2.3、 第三步：onShutdown() 一个空实现，暂不用关注 ###

这个没啥，就是个留空的方法。  
![在这里插入图片描述][28dcad5686db47928de9705b5f9da15a.png]

### 2.4、 小结 ###

shutdown() 方法干两件事：

*  把线程池状态置为 SHUTDOWN 状态
 *  中断空闲线程

我们来看个例子，加深下印象。

public static void test01() throws InterruptedException {
        
    
            // corePoolSize 是 2，maximumPoolSize 是 2
            ThreadPoolExecutor es = new ThreadPoolExecutor(2, 2,
                    60L, TimeUnit.SECONDS,
                    new LinkedBlockingQueue<>());
            es.prestartAllCoreThreads(); // 启动所有 worker
            es.execute(new Task()); // Task是一个访问某网站的 HTTP 请求，跑的慢，后面会贴出来完整代码，这里把他当做一个跑的慢的异步任务就行
            es.shutdown();
            es.execute(new Task()); // 在线程池 shutdown() 后 继续添加任务，这里预期是抛出异常
        }

这个例子我们主要观察两个现象。

*  一个是线程池会有两个woker（ prestartAllCoreThreads() 方法的调用使得已启动就有两个 worker），其中一个正在执行，一个处于空闲。所以当调用shutdown() 方法，走进 interruptIdleWorkers() 的时候，只有那个空闲的线程会调用 t.interrupt()。  
    ![在这里插入图片描述][9bfc86605bd2419380a25ab1d7d9f901.png]
 *  第二个是调用 shutdown() 方法后，再调用 execute() 时，会抛出异常，因为线程池的状态已经置为 SHUTDOWN，不再接受新的任务添加进来。

## 三、线程池的关闭 shutdownNow 方式 ##

/**
         * Attempts to stop all actively executing tasks, halts the
         * processing of waiting tasks, and returns a list of the tasks
         * that were awaiting execution. These tasks are drained (removed)
         * from the task queue upon return from this method.
         *
         * <p>This method does not wait for actively executing tasks to
         * terminate.  Use {@link #awaitTermination awaitTermination} to
         * do that.
         *
         * <p>There are no guarantees beyond best-effort attempts to stop
         * processing actively executing tasks.  This implementation
         * cancels tasks via {@link Thread#interrupt}, so any task that
         * fails to respond to interrupts may never terminate.
         *
         * @throws SecurityException {@inheritDoc}
         */
        public List<Runnable> shutdownNow() {
        
            List<Runnable> tasks;
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
        
                checkShutdownAccess();
                advanceRunState(STOP); // 1：把线程池设置为STOP
                interruptWorkers(); // 2.中断工作线程
                tasks = drainQueue(); // 3.把线程池中的任务都 drain 出来
            } finally {
        
                mainLock.unlock();
            }
            tryTerminate();
            return tasks;
        }

注释的意思是：

> 尝试停止所有正在执行的任务，暂停正在等待的任务的处理，并返回等待执行的任务列表。从该方法返回时，这些任务将从任务队列中清空(移除)。  
> 此方法不等待活动执行的任务终止。如果需要，可使用 awaitTermination() 做到这一点。  
> 除了尽最大努力尝试停止处理主动执行的任务之外，没有其他保证。  
> 此实现通过 Thread.Interrupt() 取消任务，因此任何无法响应中断的任务都可能永远不会终止。

### 3.1、第一步：advanceRunState() 把线程池设置为STOP ###

和 shutdown() 方法不同的是，shutdownNow() 方法会把线程池的状态设置为 STOP。

### 3.2、 第二步：interruptWorkers() 中断工作线程 ###

interruptWorkers() 如下，可以看到，和 shutdown() 方法不同的是，所有的工作线程都调用了 interrupt() 方法

/**
         * Interrupts all threads, even if active. Ignores SecurityExceptions
         * (in which case some threads may remain uninterrupted).
         */
        private void interruptWorkers() {
        
            final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
            mainLock.lock();
            try {
        
                for (Worker w : workers)
                    w.interruptIfStarted();
            } finally {
        
                mainLock.unlock();
            }
        }

### 3.3、第三步：drainQueue() 把线程池中的任务都 drain 出来 ###

drainQueue() 方法如下，把阻塞队列里面等待的任务都拿出来，并返回。关闭线程池的时候，可以基于这个特性，把返回的任务都打印出来，做个记录。

/**
         * Drains the task queue into a new list, normally using
         * drainTo. But if the queue is a DelayQueue or any other kind of
         * queue for which poll or drainTo may fail to remove some
         * elements, it deletes them one by one.
         */
        private List<Runnable> drainQueue() {
        
            BlockingQueue<Runnable> q = workQueue;
            ArrayList<Runnable> taskList = new ArrayList<Runnable>();
            q.drainTo(taskList);
            if (!q.isEmpty()) {
        
                for (Runnable r : q.toArray(new Runnable[0])) {
        
                    if (q.remove(r))
                        taskList.add(r);
                }
            }
            return taskList;
        }

### 3.4、小结 ###

shutdownNow() 方法干三件事：

*  把线程池状态置为 STOP 状态
 *  中断工作线程
 *  把线程池中的任务都 drain 出来并返回

我们来看个例子，代码合刚才的一样，只是关闭线程用的是shutdownNow()

public static void test01() throws InterruptedException {
        
    
            // corePoolSize 是 1，maximumPoolSize 是 1，无限容量
            ThreadPoolExecutor es = new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                    60L, TimeUnit.SECONDS,
                    new LinkedBlockingQueue<>());
            es.prestartAllCoreThreads(); // 启动所有 worker
            es.execute(new Task()); // Task是一个访问某网站的 HTTP 请求，跑的慢，后面会贴出来完整代码，这里把他当做一个跑的慢的异步任务就行
            es.execute(new Task());
            List<Runnable> result = es.shutdownNow();
            System.out.println(result);
            es.execute(new Task()); // 在线程池 shutdownNow() 后 继续添加任务，这里预期是抛出异常
        }

这个例子我们主要观察三个现象。  
一个是线程池有两个woker，所以当调用shutdownNow() 方法，走进 interruptWorkers() 的时候，所有的 woker 都会调用 t.interrupt()。  
![在这里插入图片描述][7472264b79c4435a9a4ec6720e65b055.png]

第二个是 shutdownNow() 方法会返回还没来得及执行的task，并打印出来。  
第三个是调用 shutdownNow() 方法后，再调用 execute() 时，会抛出异常，因为线程池的状态已经置为 STOP，不再接受新的任务添加  
![在这里插入图片描述][bf308501908640dbad6f31460dfc98b0.png]

## 四、实战，与 JVM 钩子配合 ##

实际工作中，我们一般是使用 shutdown() 方法，因为它比较“温和”，会等待我们把线程池中的任务都执行完，这里也已 shutdown() 方法为例。

我们回到最开头聊到的那个 case，机器重新发布，但是线程池中还有没执行完任务，机器一关，这些任务全部被kill，怎么办呢？有什么机制能够阻塞一下，等待这个任务执行完再关闭吗？

有的，用 JVM 的钩子！

实例代码如下，一个线程池，提交了三个任务去执行，执行完得半分钟。然后增加一个JVM的钩子，这个钩子可以简单理解为监听器，注册后，JVM在关闭的时候就会调用这个方法，调用完才会正式关闭JVM。

public static void test01() throws InterruptedException {
        
    
            ThreadPoolExecutor es = new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                    60L, TimeUnit.SECONDS,
                    new LinkedBlockingQueue<>());
    
            es.execute(new Task());
            es.execute(new Task());
            es.execute(new Task());
    
    
            Thread shutdownHook = new Thread(() -> {
        
                es.shutdown();
                try {
        
                    es.awaitTermination(3, TimeUnit.MINUTES);
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                    System.out.println("等待超时，直接关闭");
                }
            });
            Runtime.getRuntime().addShutdownHook(shutdownHook);
        }

在机器上执行，会发现，我使用 ctrl + c （注意不是ctrl + z ）关闭进程，会发现进程并没有直接关闭，线程池任然执行，一直等到线程池的任务执行完，进程才会正式退出。  
![在这里插入图片描述][85d69ad5496e4896881a82e1ee268acd.png]

怎么样，是不是很神奇。  
本文中涉及的 Task 的源码如下。这个任务是对 stackoverflow 网站发起 10 次请求，用来模拟跑的比较慢的任务，当然这不是重点，可以忽略，有兴趣动手试一下本文代码的同学可以参考下。

public static class Task implements Runnable {
        
    
            @Override
            public void run() {
        
                System.out.println("task start");
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
                    httpGet();
                    System.out.println("task execute " + i);
                }
                System.out.println("task finish");
            }
    
            private void httpGet() {
        
    
                String url = "https://stackoverflow.com/";
                String result = "";
                BufferedReader in = null;
                try {
        
                    String urlName = url;
                    URL realUrl = new URL(urlName);
                    // 打开和URL之间的连接
                    URLConnection conn = realUrl.openConnection();
                    // 设置通用的请求属性
                    conn.setRequestProperty("accept", "*/*");
                    conn.setRequestProperty("connection", "Keep-Alive");
                    conn.setRequestProperty("user-agent",
                            "Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 6.0; Windows NT 5.1; SV1)");
                    // 建立实际的连接
                    conn.connect();
                    // 获取所有响应头字段
                    Map<String, List<String>> map = conn.getHeaderFields();
    //                 遍历所有的响应头字段
    //                for (String key : map.keySet()) {
        
    //                    System.out.println(key + "--->" + map.get(key));
    //                }
                    // 定义BufferedReader输入流来读取URL的响应
                    in = new BufferedReader(
                            new InputStreamReader(conn.getInputStream()));
                    String line;
                    while ((line = in.readLine()) != null) {
        
                        result += "/n" + line;
                    }
                } catch (Exception e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
                // 使用finally块来关闭输入流
                finally {
        
                    try {
        
                        if (in != null) {
        
                            in.close();
                        }
                    } catch (Exception ex) {
        
                        ex.printStackTrace();
                    }
                }
    //            System.out.print(result);
            }
        }

## 五、总结 ##

想要优雅的关闭线程池，首先要理解线程中断的含义。  
其次，关闭线程池有两种方式：shutdown() 和 shutdownNow()，二者最大的区别是 shutdown() 只是把空闲的 woker 置为中断，不影响正在运行的woker，并且会继续把待执行的任务给处理完。shutdonwNow() 则是把所有的 woker 都置为中断，待执行的任务全部抽出并返回，日常工作中更多是使用 shutdown()。  
最后，单纯的使用 shutdown() 也不靠谱，还得使用 awaitTermination() 和 JVM 的钩子，才算优雅的关闭线程池。

[c7ea33b31c0d4d5aad5c00cf8c3123a7.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/c7ea33b31c0d4d5aad5c00cf8c3123a7.png
[28dcad5686db47928de9705b5f9da15a.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/28dcad5686db47928de9705b5f9da15a.png
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