线程池面试题及答案

﹏ヽ暗。殇╰゛Y 2024-02-05 15:47 63阅读 0赞

### 1、什么是线程池？ ###

线程池（Thread Pool）是一种基于池化思想管理线程的技术。在这种机制中，一定数量的线程被创建并保存在池中，准备执行任务。线程池可以有效地控制线程的数量，重复利用已有线程，减少了线程创建和销毁所带来的开销，提高了系统资源的利用率和系统的稳定性。

下面是线程池的一些关键特性和优点：

1.  **线程复用**：线程池中的线程在执行完任务后不会消失，而是可以再次被用来执行新的任务，这样可以减少频繁创建和销毁线程的性能开销。
2.  **提高响应速度**：当任务到达时，任务可以不需要等待线程的创建就能立即执行。
3.  **统一管理**：线程池可以提供统一的点来分配、优化和监控线程资源。
4.  **线程数量控制**：线程池能够限制系统中并发执行的线程数量，避免了大量线程之间竞争资源导致的性能下降。
5.  **提供任务队列**：线程池一般都配有等待队列，可以在任务多于线程池中线程数量时，暂存任务。
6.  **灵活配置**：线程池提供了多种参数设置，如核心线程数、最大线程数、线程存活时间等，以支持不同的应用需求。
7.  **减少资源消耗**：通过重复利用线程，减少了线程创建和销毁的消耗，降低了系统的资源消耗。
8.  **提高系统稳定性**：有效的线程数量控制可以防止因线程数过多导致内存溢出等问题，增加系统的稳定性。

线程池在处理大量短生命周期的异步任务时特别有用，比如在服务器应用程序中处理客户端的请求。Java中的`java.util.concurrent`包提供了一个强大的线程池实现，包括`Executors`类和`ThreadPoolExecutor`类。其他编程语言，如Python，也提供了类似的实现，如`concurrent.futures`模块中的`ThreadPoolExecutor`。

### 2、常见线程池 ###

在Java中，线程池的创建和管理主要通过`java.util.concurrent`包中的Executor框架实现。Executor框架中的关键接口和类包括：

1.  **Executor**: 这是一个基础接口，代表执行提交的Runnable任务的对象。
2.  **ExecutorService**: 这是一个更高级的接口，它继承自`Executor`，添加了启动、关闭、提交任务等生命周期管理方法。
3.  **AbstractExecutorService**: 这是`ExecutorService`的抽象实现，提供了大部分执行服务的基本实现。
4.  **ThreadPoolExecutor**: 这是`ExecutorService`的一个具体实现，使用一个线程池执行任务，它是最灵活的线程池实现。
5.  **ScheduledExecutorService**: 这个接口继承自`ExecutorService`，用于延迟执行或定期执行任务。
6.  **ScheduledThreadPoolExecutor**: 这个类继承自`ThreadPoolExecutor`，实现`ScheduledExecutorService`，支持任务的定时和周期性执行。
7.  **Executors**: 这是一个工厂和辅助类，提供了创建不同种类线程池的方法，包括：
    
     *  `newFixedThreadPool(int nThreads)`: 创建一个固定线程数的线程池。
     *  `newCachedThreadPool()`: 创建一个根据需求自动调整线程数量的线程池。
     *  `newSingleThreadExecutor()`: 创建一个只有一个线程的线程池，保证所有提交的任务都顺序执行。
     *  `newScheduledThreadPool(int corePoolSize)`: 创建一个可以调度命令在将来执行的线程池。
     *  `newSingleThreadScheduledExecutor()`: 创建一个只有一个线程，但支持任务调度的线程池。

每种类型的线程池都适用于不同的场景。例如，`newFixedThreadPool`适用于已知并发负载的应用场景，`newCachedThreadPool`适合执行许多短期异步任务的程序，而`newSingleThreadExecutor`适用于需要保证顺序执行任务的场景。

使用这些线程池时，开发者需要根据具体的应用场景和资源条件来选用最适合的线程池类型。同时，使用完线程池后，应该调用其`shutdown()`或`shutdownNow()`方法来关闭线程池，释放资源。

### 3、线程池参数 ###

在Java的`ThreadPoolExecutor`类中，创建线程池时需要配置的核心参数包括：

1.  **corePoolSize**:
    
     *  核心线程数 —— 线程池中的线程数会保持在这个数量以上，即使有的线程处于空闲状态也不会被回收。
2.  **maximumPoolSize**:
    
     *  最大线程数 —— 线程池中允许的最大线程数量。当工作队列满了之后，线程池可以增加线程数，直到达到这个最大值。
3.  **keepAliveTime**:
    
     *  非核心线程空闲存活时间 —— 当线程池中的线程数量超过corePoolSize时，多余的空闲线程能够存活的时间。
4.  **unit**:
    
     *  keepAliveTime的时间单位 —— 如毫秒、秒等，配合keepAliveTime参数使用。
5.  **workQueue**:
    
     *  任务队列 —— 用于保存等待执行的任务的阻塞队列。常用的队列如`ArrayBlockingQueue`、`LinkedBlockingQueue`、`SynchronousQueue`等。
6.  **threadFactory**:
    
     *  线程工厂 —— 用于创建新线程的工厂。可以用默认的工厂，也可以提供一个ThreadFactory对象来自定义如何创建新线程。
7.  **handler**:
    
     *  拒绝策略 —— 当任务太多来不及处理，且工作队列已满，这时如果尝试将新的任务加入到线程池中将会执行拒绝策略。常见的拒绝策略有：`ThreadPoolExecutor.AbortPolicy`（抛出异常）、`ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy`（用调用者所在的线程来执行任务）、`ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy`（默默丢弃无法处理的任务，不予任何处理）、`ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy`（丢弃最早的未处理的任务请求）。

这些参数共同协作，决定了线程池的行为和性能。在实际应用中，应根据任务特性、系统资源以及性能要求合理配置这些参数。  
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### 4、线程池拒绝策略 ###

在Java的`ThreadPoolExecutor`中，当线程池被耗尽并且工作队列也满了时，新提交的任务就会被拒绝。ThreadPoolExecutor提供了几种拒绝策略（RejectedExecutionHandler）：

1.  **AbortPolicy**:
    
     *  这是默认的拒绝策略。当任务被拒绝时，这个策略会抛出一个`RejectedExecutionException`异常。
2.  **CallerRunsPolicy**:
    
     *  这个策略不会抛弃任务，也不会抛出异常，而是将某些任务回退到调用者，从而降低新任务的流量。
3.  **DiscardPolicy**:
    
     *  这个策略将默默地丢弃被拒绝的任务，不做任何响应。
4.  **DiscardOldestPolicy**:
    
     *  这个策略将丢弃最早的未处理的任务请求，然后尝试再次提交当前任务（如果再次失败，依旧会丢弃任务，不会无限重试）。

选择合适的拒绝策略取决于具体的应用场景和需求。

例如，如果你希望即使在拒绝任务时也能保持系统的稳定性，`CallerRunsPolicy`可能是一个不错的选择，因为它会将负载压力分散到调用线程，而不是简单地抛出异常。

而如果任务是可以丢弃的，那么`DiscardPolicy`或者`DiscardOldestPolicy`可能更合适。

除了这些预定义的策略，你还可以通过实现`RejectedExecutionHandler`接口来创建自定义的拒绝策略，以满足特定应用的需求。

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### 5、线程池状态 ###

Java 线程池（ThreadPoolExecutor）有几种状态，这些状态定义在 `ThreadPoolExecutor` 类中，它们描述了线程池在生命周期中的不同阶段：

1.  **RUNNING(运行中)**:
    
     *  线程池可以接受新任务，也可以处理阻塞队列中的任务。
     *  线程池在创建时默认处于这个状态。
2.  **SHUTDOWN(关闭)**:
    
     *  线程池不再接受新任务，但是可以处理存储在阻塞队列中的任务。
     *  调用 `shutdown()` 方法会使线程池进入这个状态。
3.  **STOP(停止)**:
    
     *  线程池不接受新任务，不处理阻塞队列中的任务，并且会中断正在处理的任务。
     *  调用 `shutdownNow()` 方法会使线程池进入这个状态。
4.  **TIDYING(整理)**:
    
     *  所有任务都已终止，workerCount（有效的工作线程数）为零，线程池的状态将转换到 `TIDYING` 状态。
     *  线程池在转换到 `TIDYING` 状态时，会执行 `terminated()` 钩子方法。
5.  **TERMINATED(终止)**:
    
     *  `terminated()` 钩子方法已经运行完毕，线程池的状态就会变为 `TERMINATED` 状态。
     *  线程池被完全终止，它不能再被使用。

在内部，这些状态是通过原子整数（`AtomicInteger`）来控制的，其中包含两部分信息：工作线程数量和运行状态。

ThreadPoolExecutor 使用位运算来同时管理这两类信息。

状态相关的常量（RUNNING、SHUTDOWN、STOP、TIDYING、TERMINATED）实际上是一些编码值，它们可以通过与当前线程池的控制状态进行逻辑运算来判断线程池当前的状态。

了解线程池的状态对于正确管理线程池资源和确保资源得到释放是很重要的。

例如，不应该向已经关闭（SHUTDOWN）的线程池提交任务，因为这样做会导致 `RejectedExecutionException` 异常。同样，了解线程池何时进入 TERMINATED 状态对于监控线程池的完全关闭也是必要的。

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### 6、线程池工作流程 ###

线程池的工作流程是指线程池管理和执行提交给它的任务的整个过程。理解这一流程对于有效地使用线程池至关重要。这里详细描述了线程池的典型工作流程：

1.  **初始化**：
    
     *  线程池在创建时，会初始化核心线程数（`corePoolSize`），但这些线程只有在有任务到来时才会创建。
2.  **任务提交**：
    
     *  当一个任务被提交给线程池时，会根据当前线程池的状态和任务队列的状态来决定下一步如何处理这个任务。
3.  **核心线程处理**：
    
     *  如果当前运行的线程数少于`corePoolSize`，线程池会创建一个新的线程（核心线程）来执行这个任务，即使可能有空闲的线程。
4.  **队列排队**：
    
     *  如果运行的线程数等于或超过了`corePoolSize`，任务将会被加入队列等待。队列通常是`BlockingQueue`的一个实例，用于存储等待执行的任务。
5.  **最大线程数限制**：
    
     *  如果队列已满，且当前运行的线程数还少于`maximumPoolSize`（最大线程数），线程池会尝试创建新的线程（非核心线程）来处理任务。
6.  **拒绝策略执行**：
    
     *  如果队列已满，并且当前运行的线程数已达到`maximumPoolSize`，线程池会根据其拒绝策略来处理无法执行的任务。
7.  **任务执行**：
    
     *  当线程可用时，队列中的任务将被移除并由线程执行。
8.  **线程闲置终止**：
    
     *  当一个线程没有任务执行时，它会等待一段指定的时间（`keepAliveTime`）。如果在等待时间结束后仍然没有新的任务，那么非核心线程将被终止，并从线程池中移除。核心线程默认情况下不会超时而被终止，除非设置了`allowCoreThreadTimeOut`为`true`。
9.  **线程池关闭**：
    
     *  线程池可以通过`shutdown()`方法来平滑地关闭。这种情况下，线程池不再接受新任务，但已经提交的任务会继续执行。
     *  `shutdownNow()`方法会尝试立即关闭线程池，并尽力停止正在执行的任务，返回那些尚未开始执行的任务列表。
10. **任务完成**：
    
     *  线程池中的所有任务完成后，如果线程池已关闭，那么其中的所有线程都会最终终止。

这个流程描述的是最常见的线程池实现，特别是在Java中`java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor`的行为。不同的线程池实现可能会在某些细节上有所不同，但大体上都遵循这样的流程模式。  
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### 7、如何合理配置线程池大小 ###

合理配置线程池大小需要考虑多个因素：

任务的类型：CPU密集型任务，线程池大小应该尽量小，一般配置为CPU核数加1；IO密集型任务，由于线程并不是一直在执行任务，可以配置更多的线程，一般是CPU核数的两倍。

资源的限制：考虑系统的内存、CPU等资源限制，避免创建过多线程导致系统资源消耗殆尽。

任务的执行时间：如果任务执行时间短，可以配置更多的线程；如果任务执行时间长，则应该配置较少的线程数，以减少切换开销。

### 8、线程池中提交任务的方式有哪些 ###

线程池中提交任务主要有两种方式：execute()和submit()。

execute()方法用于提交不需要返回值的任务，因此无法判断任务是否被线程池执行成功。

submit()方法用于提交需要返回值的任务，任务执行完毕后可以通过返回的Future对象判断任务执行情况，以及获取返回值。

### 9、在实际项目中怎么创建线程池 ###

在Java中，虽然`Executors`类提供了方便的静态工厂方法来创建线程池，但是这些方法并不适合生产环境的使用，原因主要包括以下几点：

1.  **资源控制的不足**：
    
     *  `Executors`提供的一些方法创建的线程池有默认的特性，如`newFixedThreadPool()`和`newSingleThreadExecutor()`创建的线程池的工作队列是无界的（使用`LinkedBlockingQueue`），这意味着如果任务提交速度超过了处理速度，队列可以无限制地增长，从而可能导致内存耗尽。
     *  同样，`newCachedThreadPool()`和`newScheduledThreadPool()`允许创建的线程数几乎没有上限（`Integer.MAX_VALUE`），这意味着如果任务提交过多而无法及时处理，会创建大量线程，可能导致系统性能降低，甚至因为创建过多线程而导致系统崩溃。
2.  **缺乏灵活性**：
    
     *  使用`Executors`创建的线程池不允许你自定义某些参数，比如任务队列的长度、拒绝策略等。在复杂的生产环境中，通常需要根据实际的使用场景来定制这些参数，以达到最优性能。
3.  **调试困难**：
    
     *  使用默认的线程池，你无法指定`ThreadFactory`，这意味着生成的线程没有明确的命名，这在系统生成大量线程时，或者需要通过日志来调试线程问题时会造成不便。
4.  **拒绝策略问题**：
    
     *  `Executors`创建的线程池使用的默认拒绝策略是`AbortPolicy`，它在任务被拒绝时抛出`RejectedExecutionException`。这可能不是在所有场景下都是最优的选择，比如，某些场景下可能更希望调用者线程来执行被拒绝的任务。

因此，为了避免这些潜在的问题，在实际项目中，我们通常推荐直接使用`ThreadPoolExecutor`构造函数来创建线程池，这样可以提供更多的自定义设置，更适合生产环境中对性能和资源使用有严格要求的应用程序。

通过明确指定线程池的各项参数，可以实现对线程池行为的精确控制，避免资源耗尽的风险，并优化程序的性能。

### 10、使用线程池时我们需要注意什么 ###

在使用线程池时，应当注意以下关键点，以确保线程池可以高效且安全地工作：

1.  **正确配置线程池参数**：
    
     *  根据任务的特性（CPU密集型、IO密集型或混合型）和服务器的硬件能力来合理设置`corePoolSize`（核心线程数）、`maximumPoolSize`（最大线程数）、`keepAliveTime`（非核心线度空闲存活时间）和`workQueue`（工作队列）。
2.  **使用合适的工作队列**：
    
     *  根据任务的执行情况选择合适的队列类型，如有界队列（`ArrayBlockingQueue`）、无界队列（`LinkedBlockingQueue`）、优先级队列（`PriorityBlockingQueue`）等。
3.  **合理选择拒绝策略**：
    
     *  根据任务的重要性和系统容错性要求选择合适的拒绝策略，如`AbortPolicy`、`CallerRunsPolicy`、`DiscardPolicy`、`DiscardOldestPolicy`，或实现自定义拒绝策略。
4.  **资源的合理分配和监控**：
    
     *  监控线程池的使用情况，及时发现可能的性能瓶颈或配置问题，并根据实际情况调整配置。
5.  **优雅关闭线程池**：
    
     *  在应用程序关闭或重新加载时，应该先尝试平滑关闭线程池（使用`shutdown()`或`shutdownNow()`），避免执行中的任务被突然中断。
6.  **避免任务间的相互阻塞**：
    
     *  确保线程池中的任务不会互相等待结果，导致死锁。
7.  **处理好线程任务的异常**：
    
     *  在任务执行过程中可能会抛出运行时异常，应适当处理异常，避免因为异常导致线程意外终止。
8.  **避免创建大量短生命周期的线程池**：
    
     *  频繁地创建和销毁线程池会增加不必要的开销。在可能的情况下，复用线程池或者使用线程池工厂。
9.  **避免任务过长执行时间**：
    
     *  任务执行时间过长会占用线程过久，导致线程池中的其他任务无法及时处理。应该尽量使任务简短，或者考虑将大任务分解为多个小任务。
10. **不要忽视线程池的异常和日志**：
    
     *  对线程池的运行异常和性能进行记录和监控，以便于出现问题时能够迅速定位和解决。

通过注意以上这些细节，你可以更有效地使用线程池来提高程序的并发能力和性能表现。

### 11、敬请期待 ###

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