Java线程池面试必备：核心参数、工作流、监控、调优手段-技术圈

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作者 | 晓之木初

出品 | http://ykvr4.cn/uFcLT

1. Java的线程池

① 合理使用线程池的好处

Java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者并发执行任务的程序都可以使用线程池。
合理使用线程池能带来的好处：

降低资源消耗。 通过重复利用已经创建的线程降低线程创建的和销毁造成的消耗。例如，工作线程Woker会无线循环获取阻塞队列中的任务来执行。
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。
提高线程的可管理性。 线程是稀缺资源，Java的线程池可以对线程资源进行统一分配、调优和监控。

② 线程池的工作流程

一个新的任务到线程池时，线程池的处理流程如下：1.线程池判断核心线程池里的线程是否都在执行任务。 如果不是，创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程池里的线程都在执行任务，则进入下个流程。

线程池判断阻塞队列是否已满。 如果阻塞队列没有满，则将新提交的任务存储在阻塞队列中。如果阻塞队列已满，则进入下个流程。
线程池判断线程池里的线程是否都处于工作状态。 如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已满，则交给饱和策略来处理这个任务。

线程池的核心实现类是ThreadPoolExecutor类，用来执行提交的任务。因此，任务提交到线程池时，具体的处理流程是由ThreadPoolExecutor类的execute()方法去完成的。

如果当前运行的线程少于corePoolSize，则创建新的工作线程来执行任务（执行这一步骤需要获取全局锁）。
如果当前运行的线程大于或等于corePoolSize，而且BlockingQueue未满，则将任务加入到BlockingQueue中。
如果BlockingQueue已满，而且当前运行的线程小于maximumPoolSize，则创建新的工作线程来执行任务（执行这一步骤需要获取全局锁）。
如果当前运行的线程大于或等于maximumPoolSize，任务将被拒绝，并调用RejectExecutionHandler.rejectExecution()方法。即调用饱和策略对任务进行处理。

工作线程（Worker)： 线程池在创建线程时，会将线程封装成工作线程Woker。Woker在执行完任务后，不是立即销毁而是循环获取阻塞队列里的任务来执行。

③ 线程池的创建（7个参数）

可以通过ThreadPoolExecutor来创建一个线程池：

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

corePoolSize（线程池的基本大小）：

提交一个任务到线程池时，线程池会创建一个新的线程来执行任务。注意： 即使有空闲的基本线程能执行该任务，也会创建新的线程。
如果线程池中的线程数已经大于或等于corePoolSize，则不会创建新的线程。
如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。

maximumPoolSize（线程池的最大数量）： 线程池允许创建的最大线程数。

阻塞队列已满，线程数小于maximumPoolSize便可以创建新的线程执行任务。
如果使用无界的阻塞队列，该参数没有什么效果。

workQueue（工作队列）： 用于保存等待执行的任务的阻塞队列。

ArrayBlockingQueue： 基于数组结构的有界阻塞队列，按FIFO（先进先出）原则对任务进行排序。使用该队列，线程池中能创建的最大线程数为maximumPoolSize。
LinkedBlockingQueue： 基于链表结构的无界阻塞队列，按FIFO（先进先出）原则对任务进行排序，吞吐量高于ArrayBlockingQueue。使用该队列，线程池中能创建的最大线程数为corePoolSize。静态工厂方法 Executor.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
SynchronousQueue： 一个不存储元素的阻塞队列。添加任务的操作必须等到另一个线程的移除操作，否则添加操作一直处于阻塞状态。静态工厂方法 Executor.newCachedThreadPool()使用了这个队列。
PriorityBlokingQueue： 一个支持优先级的无界阻塞队列。使用该队列，线程池中能创建的最大线程数为corePoolSize。

keepAliveTime（线程活动保持时间）： 线程池的工作线程空闲后，保持存活的时间。如果任务多而且任务的执行时间比较短，可以调大keepAliveTime，提高线程的利用率。
unit（线程活动保持时间的单位）： 可选单位有DAYS、HOURS、MINUTES、毫秒、微秒、纳秒。
handler（饱和策略，或者又称拒绝策略）： 当队列和线程池都满了，即线程池饱和了，必须采取一种策略处理提交的新任务。

AbortPolicy： 无法处理新任务时，直接抛出异常，这是默认策略。
CallerRunsPolicy：用调用者所在的线程来执行任务。
DiscardOldestPolicy：丢弃阻塞队列中最靠前的一个任务，并执行当前任务。
DiscardPolicy： 直接丢弃任务。

threadFactory： 构建线程的工厂类
总结：

常用的5个，核心池、最大池、空闲时间、时间的单位、阻塞队列；另外两个：拒绝策略、线程工厂类
常见线程池的创建参数如下。PS: CachedThreadPool核心池为0，最大池为Integer.MAX_VALUE，相当于只使用了最大池；其他线程池，核心池与最大池一样大，因此相当于只用了核心池。

FixedThredPool: new ThreadExcutor(n, n, 0L, ms, new LinkedBlockingQueue<Runable>()
SingleThreadExecutor: new ThreadExcutor(1, 1, 0L, ms, new LinkedBlockingQueue<Runable>())
CachedTheadPool: new ThreadExcutor(0, max_valuem, 60L, s, new SynchronousQueue<Runnable>());
ScheduledThreadPoolExcutor: ScheduledThreadPool, SingleThreadScheduledExecutor.

如果使用的阻塞队列为无界队列，则永远不会调用拒绝策略，因为再多的任务都可以放在队列中。
SynchronousQueue是不存储任务的，新的任务要么立即被已有线程执行，要么创建新的线程执行。

④ 向线程池提交任务

使用ThreadPoolEXecutor.execute()方法来提交任务：

public void execute(Runnable command) {
    // command为null，抛出NullPointerException
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();      
    int c = ctl.get();
    // 线程池中的线程数小于corePoolSize，创建新的线程
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true))// 创建工作线程
            return;
        c = ctl.get();
    }
    // 将任务添加到阻塞队列，如果
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        int recheck = ctl.get();
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }// 阻塞队列已满，尝试创建新的线程，如果超过maximumPoolSize，执行handler.rejectExecution()
    else if (!addWorker(command, false))
        reject(command);
}

⑤ 线程池的五种运行状态

RUNNING ： 该状态的线程池既能接受新提交的任务，又能处理阻塞队列中任务。
SHUTDOWN： 该状态的线程池不能接收新提交的任务，但是能处理阻塞队列中的任务。（政府服务大厅不在允许群众拿号了，处理完手头的和排队的政务就下班。）

处于 RUNNING 状态时，调用 shutdown()方法会使线程池进入到该状态。
注意： finalize() 方法在执行过程中也会隐式调用shutdown()方法。

STOP： 该状态的线程池不接受新提交的任务，也不处理在阻塞队列中的任务，还会中断正在执行的任务。（政府服务大厅不再进行服务了，拿号、排队、以及手头工作都停止了。）

在线程池处于 RUNNING 或 SHUTDOWN 状态时，调用 shutdownNow() 方法会使线程池进入到该状态；

TIDYING： 如果所有的任务都已终止，workerCount (有效线程数)=0 。

线程池进入该状态后会调用 terminated() 钩子方法进入TERMINATED 状态。

TERMINATED： 在terminated()钩子方法执行完后进入该状态，默认terminated()钩子方法中什么也没有做。

⑥ 线程池的关闭（`shutdown或者shutdownNow方法`）

可以通过调用线程池的shutdown或者shutdownNow方法来关闭线程池：遍历线程池中工作线程，逐个调用interrupt方法来中断线程。
shutdown方法与shutdownNow的特点：

shutdown方法将线程池的状态设置为SHUTDOWN状态，只会中断空闲的工作线程。
shutdownNow方法将线程池的状态设置为STOP状态，会中断所有工作线程，不管工作线程是否空闲。
调用两者中任何一种方法，都会使isShutdown方法的返回值为true；线程池中所有的任务都关闭后，isTerminated方法的返回值为true。
通常使用shutdown方法关闭线程池，如果不要求任务一定要执行完，则可以调用shutdownNow方法。

2. java线程池的调优以及监控

① 线程池的调优（线程池的合理配置）

先从以下几个角度分析任务的特性：

任务的性质： CPU 密集型任务、IO 密集型任务和混合型任务。
任务的优先级： 高、中、低。
任务的执行时间： 长、中、短。
任务的依赖性： 是否依赖其他系统资源，如数据库连接。

任务性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。 可以通过 Runtime.getRuntime().availableProcessors() 方法获得当前设备的 CPU 个数。

CPU 密集型任务配置尽可能小的线程，如配置 N c p u + 1 N_{cpu}+1Ncp**u+1 个线程的线程池。
IO 密集型任务则由于线程并不是一直在执行任务，则配置尽可能多的线程，如2 ∗ N c p u 2N_{cpu}2∗Ncp**u*。
混合型任务，如果可以拆分，则将其拆分成一个 CPU 密集型任务和一个 IO 密集型任务。只要这两个任务执行的时间相差不是太大，那么分解后执行的吞吐率要高于串行执行的吞吐率；如果这两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。

优先级不同的任务可以使用优先级队列 PriorityBlockingQueue 来处理，它可以让优先级高的任务先得到执行。但是，如果一直有高优先级的任务加入到阻塞队列中，那么低优先级的任务可能永远不能执行。
执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理，或者也可以使用优先级队列，让执行时间短的任务先执行。
依赖数据库连接池的任务，因为线程提交 SQL 后需要等待数据库返回结果，线程数应该设置得较大，这样才能更好的利用 CPU。
建议使用有界队列，有界队列能增加系统的稳定性和预警能力。可以根据需要设大一点，比如几千。使用无界队列，线程池的队列就会越来越大，有可能会撑满内存，导致整个系统不可用。

② 线程池的监控

可以通过线程池提供的参数读线程池进行监控，有以下属性可以使用：

taskCount：线程池需要执行的任务数量，包括已经执行完的、未执行的和正在执行的。
completedTaskCount：线程池在运行过程中已完成的任务数量，completedTaskCount <= taskCount。
largestPoolSize：线程池曾经创建过的最大线程数量，通过这个数据可以知道线程池是否满过。如等于线程池的最大大小，则表示线程池曾经满了。
getPoolSize: 线程池的线程数量。如果线程池不销毁的话，池里的线程不会自动销毁，所以线程池的线程数量只增不减。
getActiveCount：获取活动的线程数。

通过继承线程池并重写线程池的 beforeExecute，afterExecute 和 terminated 方法，我们可以在任务执行前，执行后和线程池关闭前干一些事情。
如监控任务的平均执行时间，最大执行时间和最小执行时间等。这几个方法在线程池里是空方法，如：

protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }

3. Java线程池的常见问题

1. 讲讲Java的线程池

基础讲解：

以ThreadPoolExecutor为切入点，讲解excute()方法中所体现的Java线程池运行流程。
工作线程Worker，它的循环工作特点
如何新建线程池：7个参数（重点在阻塞队列和饱和策略）

进阶：

线程池五个状态的特点以及如何进行状态之间的切换：running、shutdown、stop、tidying、terminated。
如何关闭线程：shutdown方法和shutdownNow方法的特点
线程池的调优（针对任务的不同特性 + 建议使用有界队列）
线程池的监控参数以及可以重写的方法。

两种主要的线程池类型：普通的线程池ThreadPoolExecutor，支持延迟或周期性执行的任务的线程池ScheduledThreadPoolExcutor。
讲解ThreadPoolExcutor中5个常用参数+2个不常用参数，包含的三种线程池：创建时的参数、运行的流程、各自适合的场景。
讲解ScheduledThreadPoolExecutor的阻塞队列的原理、如何更改任务的time。
提供了五种定义好的线程池，都可以通过Executors工具类去调用，比如Executors.newFixedThreadPool(12)

2. 具体的场景，如果corePoolSize为x，maximumPoolSize为y，阻塞队列为z，第w个任务进来如何分配？

3. 线程池如何进行调优？