圖解 | 阿里面試官愛問的線程池到底是什么？

前言

前幾天小強去阿里巴巴面試Java崗，止步于二面。

他和我訴苦自己被虐的多慘多慘，特別是深挖線程和線程池的時候，居然被問到不知道如何作答。

對于他的遭遇，結(jié)合他過了一面的那個嘚瑟樣，我深表同情（加大力度）！

好了，不開玩笑了，在和小強的面試題中，我選取了幾個比較典型的線程和線程池的問題。

Java中的線程和操作系統(tǒng)的線程有什么關(guān)系？

調(diào)用start方法是如何執(zhí)行run方法的？

線程池提交任務(wù)有哪幾種方式？分別有什么區(qū)別？

談?wù)勀銓ψ枞犃械睦斫狻?/p>

常見的線程池有哪些？為什么阿里不允許使用 Executors 去創(chuàng)建線程池？

線程池任務(wù)調(diào)度的流程大致講一下。

線程池里面的線程執(zhí)行異常了會怎么樣？

核心線程和非核心線程是如何區(qū)分的？

想要答對這些問題，并不是很難，但是想要答好，我覺得是非常考驗個人功底的。

為了弄清這些問題，我連夜加急，采訪了“線程”，下面是線程的自述。

我是誰

我是一個線程，一個底層的打工人。

進程是程序的一次執(zhí)行，CPU的資源都是分發(fā)給進程而不是分發(fā)給我們線程，進程是資源分配的最小單位，一個進程可以包含很多向我這樣的線程。

我們線程是CPU調(diào)度執(zhí)行的最小單位，真正的打工人。

Java中的線程

在Java里面，我的名字叫做java.lang.Thread。

需要注意的是，調(diào)用run方法和執(zhí)行一個普通方法沒有區(qū)別。想要真正的創(chuàng)建一個線程并啟動，需要調(diào)用我的start方法。

有一點我必須告訴你，就是我也是有小弟的。

在JVM里面，我有一個JavaThread的小弟，他幫我聯(lián)系操作系統(tǒng)的osthread線程。

調(diào)用我的start方法之后，具體的執(zhí)行流程是這樣的：

當(dāng)然了，這個過程省略了很多細(xì)節(jié)，不過很明確的是，我和內(nèi)核線程是一一對應(yīng)的。

調(diào)度我就相當(dāng)于調(diào)度內(nèi)核線程，而調(diào)度內(nèi)核線程需要在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間切換，這個過程開銷是非常大的。

所以，創(chuàng)建我成本是很高的，一定要慎重。

線程池

和你們?nèi)祟愐粯樱乙灿兄实囊簧矔?jīng)歷出生（創(chuàng)建）、奮斗（Running）、死亡（銷毀）等過程，今天我主要和你講述的是我打工奮斗的生活。

原來我是打零工的，有人需要我的時候就創(chuàng)建一個我，等我完成工作就把我銷毀。

上面也提到過，我和內(nèi)核線程是一對一的，創(chuàng)建和銷毀的過程是非常消耗資源的，所以這樣的成本非常高。

于是，有人就想了一個辦法，開了一個公司，也就是你們說的線程池。

線程池公司統(tǒng)一管理調(diào)度我們線程。我們在線程池里面重復(fù)著等待工作——完成工作的步驟。

這樣我就可以日復(fù)一日年復(fù)一年的重復(fù)打工了，這種提供了減少對象數(shù)量從而改善應(yīng)用所需的對象結(jié)構(gòu)的方式的模式，被你們?nèi)祟惤凶觥跋碓Ｊ健薄?/p>

線程池公司有很多種，但都離不開這幾個主要指標(biāo)：

• corePoolSize：公司正式員工人數(shù)。
• maximumPoolSize：正式工+臨時工最大數(shù)量。
• keepAliveTime：臨時工多久沒做事情會被開除。
• unit：臨時工沒做事情會被開除的時間單位。
• workQueue：公司業(yè)務(wù)接收部門。
• threadFactory：行政部，負(fù)責(zé)招聘培訓(xùn)員工的。
• handler：業(yè)務(wù)部接收業(yè)務(wù)到達(dá)上限了的處理方式。

阻塞隊列

線程池中的workQueue是一個阻塞隊列，用于存放線程池未能及時處理執(zhí)行的任務(wù)。

它的存在既解耦了任務(wù)的提交與執(zhí)行，又能起到一個緩沖的作用。

阻塞隊列有很多，下面我?guī)懔私庖幌鲁Ｒ姷淖枞犃小?/p>

ArrayBlockingQueue

基于數(shù)組實現(xiàn)的有界阻塞隊列，創(chuàng)建的時候需要指定容量。此類型的隊列按照FIFO（先進先出）的規(guī)則對元素進行排序。

LinkedBlockingQueue

基于鏈表實現(xiàn)阻塞隊列，默認(rèn)大小為Integer.MAX_VALUE。按照FIFO（先進先出）的規(guī)則對元素進行排序。

SynchronousQueue

一個不存儲元素的阻塞隊列。每一個put操作必須阻塞等待其他線程的take操作，take操作也必須等待其他線程的put操作。

PriorityBlockingQueue

一個基于數(shù)組利用堆結(jié)構(gòu)實現(xiàn)優(yōu)先級效果的無界隊列，默認(rèn)自然序排序，也可以自己實現(xiàn)compareTo方法自定義排序規(guī)則。

DelayedWorkQueue

一個實現(xiàn)了優(yōu)先級隊列功能且實現(xiàn)了延遲獲取的無界隊列，在創(chuàng)建元素時，可以指定多久多久才能在隊列中獲取當(dāng)前元素。只有延時期滿了后才能從隊列中獲取元素。

拒絕策略

當(dāng)任務(wù)隊列滿了之后，如果還有任務(wù)提交過來，會觸發(fā)拒絕策略，常見的拒絕策略有：

• AbortPolicy：丟棄任務(wù)并拋出異常，默認(rèn)該方式。

• CallerRunsPolicy：由調(diào)用線程自己處理該任務(wù)。誰調(diào)用，誰處理。

• DiscardPolicy：丟棄任務(wù)，但是不拋出異常。

• DiscardOldestPolicy：拋棄任務(wù)隊列中最舊的任務(wù)，也就是最先加入隊列的，再把這個新任務(wù)添加進去。先從任務(wù)隊列中彈出最先加入的任務(wù)，空出一個位置，然后再次執(zhí)行execute方法把任務(wù)加入隊列。

  

當(dāng)然，除了以上這幾種拒絕策略，你也可以根據(jù)實際的業(yè)務(wù)場景和業(yè)務(wù)需求去自定義拒絕策略，只需要實現(xiàn)RejectedExecutionHander接口，自定義里面的rejectedExecution方法。

運行流程

我們每個線程會被包裝成Worker，線程池里面有一個HashSet存放Worker。

當(dāng)有任務(wù)提交過來之后：

1. 首先檢測線程池運行狀態(tài)，如果不是RUNNING，則直接拒絕，線程池要保證在RUNNING的狀態(tài)下執(zhí)行任務(wù)。
2. 如果線程池中Worker的數(shù)量小于核心線程數(shù)，就會去創(chuàng)建一個新的線程，也就是招聘一個正式工讓他執(zhí)行任務(wù)。
3. 如果Worker的數(shù)量大于或者等于核心線程數(shù)，就會把任務(wù)放到阻塞任務(wù)隊列里面。
4. 如果任務(wù)隊列滿了還有任務(wù)過來，如果臨時工名額沒有滿（workerCount < maximumPoolSize），就去招聘臨時工讓臨時工執(zhí)行任務(wù)。如果臨時工名額都滿了，觸發(fā)任務(wù)拒絕策略。

總結(jié)而言，就是核心線程能干的事情盡量不去創(chuàng)建非核心線程，這是線程池很關(guān)鍵的一點。

new ThreadPoolExecutor(4,  8, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(4));

以這個線程池為例，下面是他的任務(wù)提交和執(zhí)行流程：

有哪些線程池

我有過四段工作經(jīng)歷，每段經(jīng)歷都有著精彩的故事。

SingleThreadExecutor

SingleThreadExecutor是我加入的第一家線程池，這是一家創(chuàng)業(yè)公司，整個線程池就只有我一個線程。

所有的任務(wù)都由我干，而且任務(wù)隊列是一個無界隊列。就是說，打工的線程只有我一個，但是需求任務(wù)可以是無限多。

在需求任務(wù)很多的時候，經(jīng)常出現(xiàn)任務(wù)處理不過來的情況，導(dǎo)致任務(wù)堆積，出現(xiàn)OOM。

但因為所有的活都是我干，沒有繁瑣的溝通成本，不需要處理線程同步的問題，這算是這種線程池的一個優(yōu)點吧。

這種線程池適用于并發(fā)量不大且需要任務(wù)順序執(zhí)行的場景。

FixedThreadPool

后來公司倒閉了，我又加入了一個叫FixedThreadPool的線程池。

FixedThreadPool和SingleThreadExecutor唯一不同的地方就是核心線程的數(shù)量，F(xiàn)ixedThreadPool可以招收很多的打工線程。

在這里，我不再是孤軍奮斗了，我有了一群共同打拼的小伙伴，大家一起完成任務(wù)，一起承擔(dān)壓力。

可這種線程池還是存在一個問題——任務(wù)隊列是無界的，需求任務(wù)過多的話，還是會造成OOM。

這種線程池線程數(shù)固定，且不被回收，線程與線程池的生命周期同步的線程池，適用于任務(wù)量比較固定但耗時長的任務(wù)。

CachedThreadPool

后來，為了離家更近，我離職了。加入了一家叫CachedThreadPool的線程池，進去之后，卻發(fā)現(xiàn)這是一家外包公司。

這種線程池里面沒有一個核心線程（正式工），一有需求就去招聘一個非核心線程（臨時工）。

如果一個線程任務(wù)干完了之后，60秒之后沒有新的任務(wù)就會被辭退。

這種線程池的任務(wù)隊列采用的是SynchronousQueue，這個隊列是無法插入任務(wù)的，一有任務(wù)就創(chuàng)建一個線程執(zhí)行，如果并發(fā)高且任務(wù)耗時長，創(chuàng)建太多線程也是可能導(dǎo)致OOM的。所以CachedThreadPool比較適合任務(wù)量大但耗時少的任務(wù)。

ScheduleThreadPool

經(jīng)歷了外面的風(fēng)風(fēng)雨雨，我覺得還是找份固定的工作比較可靠，于是我加入了一家叫做ScheduleThreadPool的國企。

在這里，工作比較的輕松，多數(shù)情況下，我只需要在固定的時間干固定的活。

任務(wù)忙不過來的時候，公司也會招聘一些臨時工幫忙處理，臨時工干完活就會被辭退。

綜合來說，這類線程池適用于執(zhí)行定時任務(wù)和具體固定周期的重復(fù)任務(wù)。由于采用的任務(wù)隊列是DelayedWorkQueue無界隊列，所以也是有OOM的風(fēng)險的。

總結(jié)

好了，關(guān)于線程的故事就告一段落了。關(guān)于線程池的應(yīng)用實踐，我們下次再聊。

文章開頭的面試題在大部分在文中都能找到答案，對于沒有提到的，這里做一個補充：

1. 線程池提交任務(wù)有哪幾種方式？分別有什么區(qū)別？

有execute和submit兩種方式

• execute只能提交Runnable類型的任務(wù)，無返回值。submit既可以提交Runnable類型的任務(wù)，也可以提交Callable類型的任務(wù)，會有一個類型為Future的返回值，但當(dāng)任務(wù)類型為Runnable時，返回值為null。

• execute在執(zhí)行任務(wù)時，如果遇到異常會直接拋出，而submit不會直接拋出，只有在使用Future的get方法獲取返回值時，才會拋出異常。

2. 線程池里面的線程執(zhí)行異常了會怎么樣？

如果一個線程執(zhí)行任務(wù)的過程中出現(xiàn)異常，那么這個線程對應(yīng)的Worker會被移出線程池，該線程也會被銷毀回收。

同時會通過指定的線程工廠創(chuàng)建一個線程，并封裝成Worker放入線程池代替移除的Worker。

3. 核心線程能被回收嗎？

核心線程默認(rèn)不會被回收。但是可以調(diào)用allowCoreThreadTimeOut讓核心線程可以被回收。

需要注意的是，調(diào)用這個方法的線程池必須將keepAliveTime設(shè)置為大于0，否則會拋出異常。

4. 核心線程和非核心線程是如何區(qū)分的？

核心線程和非核心線程是一個抽象概念，只是用于更好的表述線程池的運行邏輯，實際上都對應(yīng)操作系統(tǒng)的osThread，都是重量級線程。

在新增Worker的時候，通過一個boolean表達(dá)是核心線程還是非核心線程，本質(zhì)上兩者沒有什么不同。

5. 為什么阿里不允許使用 Executors 去創(chuàng)建線程池？

FixedThreadPool 和 SingleThreadPool：允許的請求隊列長度為 Integer.MAX_VALUE，可能會堆積大量的請求，從而導(dǎo)致 OOM。

CachedThreadPool：允許的創(chuàng)建線程數(shù)量為 Integer.MAX_VALUE，可能會創(chuàng)建大量的線程，從而導(dǎo)致 OOM。

總結(jié)來說就是，使用Executors創(chuàng)建線程池會容易忽視線程池的一些屬性，使用不當(dāng)容易造成資源耗盡。

寫在最后

這個世界上或許沒有線程，又或許人人都是線程。

好了，今天的文章就到這里了。

最后，感謝你的閱讀！

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