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每日六道java新手入门面试题,通往自由的道路--线程池

时间：2021-09-23 00:57     来源/作者：太子爷哪吒

1. 你知道线程池吗？为什么需要使用线程池？

在面向对象编程中，创建和销毁对象是很费时间的，因为创建一个对象要获取内存资源或者其它更多资源。

而在Java中， JVM 中每创建和销毁线程就需要资源和时间的损耗了，线程中也是存在上下文切换，这需要一定的开销，并且线程的创建并不是越多越好，而如果创建的线程数太多，上下文切换的频率就变高，可能使得多线程带来的好处抵不过线程切换带来的开销，就有点得不偿失了。

那我们需要如何管控好线程呢？

所以我们可以创建一个容器把线程数缓存在容器了，以便给他人使用，并且无需再自行创建和销毁线程。

每日六道java新手入门面试题,通往自由的道路--线程池

 

小结：

线程池就是事先创建若干个可执行的线程放入一个池（容器）中，需要的时候从池中获取线程不用自行创建，使用完毕不需要销毁线程而是放回池中，从而减少创建和销毁。

使用线程池的好处：

  • 降低了资源的消耗，重用存在的线程，减少线程的创建和销毁的资源损耗。
  • 提高了响应速度，无需等待创建和销毁的时间，一旦任务到达的时候，即可通过线程池的线程执行。
  • 提高了线程的管控性，线程是稀缺的资源，如果无限创建，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一的分配，调优和监控。

 

2. 你知道有多少种创建线程池的方式

JDK1.5以后提供一个Executors工具类 ，里面提供一些静态工厂方法，生成一些常用的线程池。

newCachedThreadPool：创建一个可缓存的线程池。如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程，那么就会回收部分空闲（60秒不执行任务）的线程，当任务数增加时，此线程池又可以智能的添加新线程来处理任务。此线程池不会对线程池大小做限制，线程池大小完全依赖于操作系统（或者说JVM）能够创建的最大线程大小。

那我们来看看底层的方法和实现过程：

底层：

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                  60L, TimeUnit.SECONDS,
                                  new SynchronousQueue<Runnable>());
}

我们实现的步骤：

public class ThreadPoolDemo {
    public static void main(String[] args) {
        threadPoolTest();
    }
    private static void threadPoolTest() {
        // 1. 使用工厂类获取线程池对象
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        // 2. 提交任务
        for (int i = 1; i < 8; i++) {
            executorService.submit(new MyRunnable(i));
        }
    }
}
// 我们的任务类
class MyRunnable implements Runnable {
    private int id;
    public MyRunnable(int id) {
        this.id = id;
    }
    @Override
    public void run() {
        // 打印是哪个线程的名称。
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行了任务" + id);
    }
}

可以得到的结果：

每日六道java新手入门面试题,通往自由的道路--线程池

可以发现，线程池的开启是一直运行的状态，而如果你想结束的话，可以使用一个shutdown方法即 executorService.shutdown(); 每次任务都会创建多一个线程出来了。

我们可以看下newCacheThreadPool的运行流程如下：

  • 提交任务进线程池。
  • 因为corePoolSize为0的关系，不创建核心线程，线程池最大为Integer.MAX_VALUE。
  • 尝试将任务添加到SynchronousQueue队列。
  • 如果SynchronousQueue入列成功，等待被当前运行的线程空闲后拉取执行。如果当前没有空闲线程，那么就创建一个非核心线程，然后从SynchronousQueue拉取任务并在当前线程执行。
  • 如果SynchronousQueue已有任务在等待，入列操作将会阻塞。

当需要执行很多短时间的任务时，newCacheThreadPool的线程复用率比较高， 会显著的提高性能。而且线程60s后会回收，意味着即使没有任务进来，newCacheThreadPool并不会占用很多资源。

newFixedThreadPool：创建固定大小的线程池。每次提交一个任务就创建一个线程，直到线程达到线程池的最大大小。线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变，如果某个线程因为执行异常而结束，那么线程池会补充一个新线程。

还是一样看下底层和代码实现过程吧：

底层：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

代码实现过程：

public static void main(String[] args) {
    // threadPoolTest();
    threadPoolTest2();
}
private static void threadPoolTest2() {
    // 1. 使用工厂类获取线程池对象
    ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);
    // 2. 提交任务
    for (int i = 1; i < 8; i++) {
        executorService.submit(new MyRunnable(i));
    }
}

得到的结果：

pool-1-thread-2执行了任务2
pool-1-thread-1执行了任务1
pool-1-thread-3执行了任务3
pool-1-thread-3执行了任务6
pool-1-thread-1执行了任务5
pool-1-thread-2执行了任务4
pool-1-thread-3执行了任务7

我们可以发现，创建线程数量就是我们指定3，核心线程数量和总线程数量相等，都是传入的参数nThreads，所以只能创建核心线程，不能创建非核心线程。因为LinkedBlockingQueue的默认大小是Integer.MAX_VALUE，故如果核心线程空闲，则交给核心线程处理；如果核心线程不空闲，则入列等待，直到核心线程空闲。

与newCacheThreadPool的区别：

  • 因为 corePoolSize == maximumPoolSize ，所以FixedThreadPool只会创建核心线程。 而CachedThreadPool因为corePoolSize=0，所以只会创建非核心线程。
  • 在 getTask() 方法，如果队列里没有任务可取，线程会一直阻塞在 LinkedBlockingQueue.take() ，线程不会被回收。 CachedThreadPool会在60s后收回。
  • 由于线程不会被回收，会一直卡在阻塞，所以没有任务的情况下， FixedThreadPool占用资源更多。
  • 都几乎不会触发拒绝策略，但是原理不同。FixedThreadPool是因为阻塞队列可以很大（最大为Integer最大值），故几乎不会触发拒绝策略；CachedThreadPool是因为线程池很大（最大为Integer最大值），几乎不会导致线程数量大于最大线程数，故几乎不会触发拒绝策略。

​newSingleThreadExecutor：创建一个单线程的线程池。这个线程池只有一个线程在工作，也就是相当于单线程串行执行所有任务。如果这个唯一的线程因为异常结束，那么会有一个新的线程来替代它。此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行

还是一样看下底层和代码实现过程吧：

底层：

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new FinalizableDelegatedExecutorService
        (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

代码实现过程：

public static void main(String[] args) {
    // threadPoolTest();
    // threadPoolTest2();
    threadPoolTest3();
}
private static void threadPoolTest3() {
    // 1. 使用工厂类获取线程池对象
    ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
    // 2. 提交任务
    for (int i = 1; i < 8; i++) {
        executorService.submit(new MyRunnable(i));
    }
}

得到的结果：

pool-1-thread-1执行了任务1
pool-1-thread-1执行了任务2
pool-1-thread-1执行了任务3
pool-1-thread-1执行了任务4
pool-1-thread-1执行了任务5
pool-1-thread-1执行了任务6
pool-1-thread-1执行了任务7

可以发现，只创建了一个线程，有且仅有一个核心线程（ corePoolSize == maximumPoolSize=1），使用了LinkedBlockingQueue（容量很大），所以，不会创建非核心线程。所有任务按照先来先执行的顺序执行。如果这个唯一的线程不空闲，那么新来的任务会存储在任务队列里等待执行。

newScheduledThreadpool：创建一个大小无限的线程池。此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求。

还是一样看下底层和代码实现过程吧：

底层：

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
    super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
          new DelayedWorkQueue());
}

代码实现：

public static void main(String[] args) {
    //        threadPoolTest();
    //        threadPoolTest2();
    //        threadPoolTest3();
    threadPoolTest4();
}
private static void threadPoolTest4() {
    // 1. 使用工厂类获取线程池对象
    ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(3);
    // 2. 每个任务延迟两秒执行
    for (int i = 1; i < 8; i++) {
        scheduledExecutorService.schedule(new MyRunnable(i), 2, TimeUnit.SECONDS);
    }
    System.out.println("看是不是我先执行了！");
}

可以看到的结果：

看是不是我先执行了！
pool-1-thread-1执行了任务1
pool-1-thread-1执行了任务4
pool-1-thread-2执行了任务2
pool-1-thread-3执行了任务3
pool-1-thread-2执行了任务6
pool-1-thread-1执行了任务5
pool-1-thread-3执行了任务7

我们可以发现，线程池只创建我们指定的线程数，并且返回的是一个继承了ExecutorService的ScheduledExecutorService的接口。它给我们提供一些延迟的方法：

public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,
                                       long delay, TimeUnit unit);
延迟时间单位是unit，时间数是delay，任务是Runnable类型的command。
public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable,
                                        long delay, TimeUnit unit);
而这个方法是上面方法的重载，不一样的是任务是Callable类型的

 

3. 线程池的五种状态你有了解吗？

线程池它有以下五种状态：

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具体有：

  • RUNNING：这是最正常的状态，能正常接受新的任务，正常处理等待队列中的任务。
  • SHUTDOWN：不接受新的任务提交，但是会继续处理正在执行的业务并且也会处理阻塞队列中的任务。
  • STOP：不接受新的任务提交，不再处理等待队列中的任务，并且中断正在执行任务的线程。
  • TIDYING：所有的任务都执行完毕或销毁了，当前活动线程数为 0，线程池的状态在转换为 TIDYING 状态时，会执行钩子方法 terminated()进入终止状态。
  • TERMINATED：线程池彻底终止，即terminated()方法结束后，线程池的状态就会变成这个。

 

4. 你知道ThreadPoolExecutor的构造方法和参数吗

我们先来看看它的构造方法有哪些：

// 五个参数的构造函数
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue) {...}
// 六个参数的构造函数
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory) {...}
// 六个参数的构造函数
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          RejectedExecutionHandler handler) {...}
// 七个参数的构造函数
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) {...}

我们再来详解下构造方法中涉及的7个参数，其中最重要5个参数就是第一个构造方法中的。

  • int corePoolSize：该线程池中核心线程数量

核心线程：线程池中有两类线程，核心线程和非核心线程。核心线程默认情况下会一直存在于线程池中，即使这个核心线程什么都不干，而非核心线程（临时工）如果长时间的闲置，就会被销毁。但是如果将

allowCoreThreadTimeOut设置为true时，核心线程也是会被超时回收。

  • int maximumPoolSize：该线程池中允许存在的工作线程的最大数量。

该值相当于核心线程数量 + 非核心线程数量。

  • long keepAliveTime：非核心线程闲置超时时长。

非核心线程如果处于闲置状态超过该值，就会被销毁。如果设置allowCoreThreadTimeOut(true)，则会也作用于核心线程。

  • TimeUnit unit：keepAliveTime的时间单位。

TimeUnit是一个枚举类型 ，包括以下属性：

 NANOSECONDS ： 1微毫秒
MICROSECONDS ： 1微秒
MILLISECONDS ： 1毫秒
SECONDS ： 秒
MINUTES ： 分
HOURS ： 小时
DAYS ： 天

  • BlockingQueue workQueue：阻塞队列，维护着等待执行的Runnable任务对象。

当新任务来的时候，会先判断当前运行线程数量是否达到了核心线程数，如果达到了，就会被存放在阻塞队列中排队等待执行。

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常用的几个阻塞队列：

1.ArrayBlockingQueue

数组阻塞队列，底层数据结构是数组，需要指定队列的大小。

2.SynchronousQueue

同步队列，内部容量为0，每个put操作必须等待一个take操作，反之亦然。

3.DelayQueue

延迟队列，该队列中的元素只有当其指定的延迟时间到了，才能够从队列中获取到该元素 。

4.LinkedBlockingQueue

链式阻塞队列，底层数据结构是链表，默认大小是Integer.MAX_VALUE，也可以指定大小。

还有两个非必须的参数：

  • ThreadFactory threadFactory

创建线程的工厂 ，用于批量创建线程，统一在创建线程时设置一些参数，如是否守护线程、线程的优先级等。如果不指定，会新建一个默认的线程工厂。

  • RejectedExecutionHandler handler

拒绝处理策略，在线程数量大于最大线程数后就会采用拒绝处理策略，四种拒绝处理的策略为 ：

  • ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：默认拒绝处理策略，丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
  • ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：丢弃新来的任务，但是不抛出异常。
  • ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃队列头部（最旧的）的任务，然后重新尝试执行程序（如果再次失败，重复此过程）。
  • ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务。

 

5. 你可以说下线程池的执行过程原理吗

昨天MyGirl跟我讲了一下她去银行办理业务的一个场景：

  1. 首先MyGirl（任务A）先去银行（线程池）办理业务，她发现她来早了，现在银行才刚开门，柜台窗口服务员还没过来（相当于线程池中的初始线程为0），此时银行经理看到MyGirl来了，就安排她去一号柜台窗口并安排了1号正式工作人员来接待她。
  2. 在MyGirl的业务还没办完时，一个不知名的路人甲（任务B）出现了，他也是要来银行办业务，于是银行经理安排他去二号柜台并安排了2号正式工作人员。假设该银行的柜台窗口就只有两个（核心线程数量2）。
  3. 紧接着，在所有人业务都还没做完的情况，持续来个三个不知名的路人乙丙丁，他们也是要来办业务的，但是由于柜台满了，安排了他们去旁边的银行大厅的座位上（阻塞队列，这里假设大小为3）等候并给了对应顺序的号码，说等前面两个人办理完后，按顺序叫号你们呦，请注意听。
  4. 过一会，一个路人戊也想来银行办理业务，而经理看到柜台满了，座位满了，只能安排了一个临时工（非核心线程，这里假设最大线程为3，即非核心为1）手持pad设备并给路人戊去办理业务。
  5. 而此时，一个路人戌过来办理业务，而经理看到柜台满了，座位满了，临时工也安排满了（最大线程数+阻塞队列都满了），无奈经理只能掏出一本《如何接待超出最大限度的手册》，选择拒接接待路人戌通知他，过会再来吧您嘞，这里已经超负荷啦！
  6. 最后，相继所有人的业务都办完了，现在也没人再来办业务，并且临时工的空闲时间也超过了1小时以上了（最大空闲时间默认60秒），经理让临时工都先下班回家了（销毁线程）。
  7. 但是一个银行要保证正常的运行，只能让正式员工继续上班，不得提早下班。

每日六道java新手入门面试题,通往自由的道路--线程池

而实际上线程的流程原理跟这个一样，我们来看下处理任务的核心方法execute，它的源码大概是什么样子的呢，当然我们也可以看源码中的注释，里面也写的很清楚。这里具体讲下思路。

public void execute(Runnable command) {
    if (command == null)
        throw new NullPointerException();  
    // 1. 获取ctl，ctl是记录着线程池状态和线程数。
    int c = ctl.get();
    // 2. 判断当前线程数小于corePoolSize核心线程,则调用addWorker创建核心线程执行任务
    if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
       if (addWorker(command, true))
           return;
       // 创建线程失败，需要重新获取clt的状态和线程数。
       c = ctl.get();
    }
    // 3. 如果不小于corePoolSize，进入下面的方法。
    // 判断线程池是否运行状态并且运行线程数大于corePoolSize，将任务添加到workQueue队列。
    if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
        int recheck = ctl.get();
        // 3.1 再次检查线程池是否运行状态。
        // 如果isRunning返回false(状态检查)，则remove这个任务，然后执行拒绝策略。
        if (! isRunning(recheck) && remove(command))
            reject(command);
            // 3.2 线程池处于running状态，但是没有线程，则创建线程加入到线程池中
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    // 4. 如果放入workQueue失败，则创建非核心线程执行任务，
    // 如果这时创建非核心线程失败(当前线程总数不小于maximumPoolSize时)，就会执行拒绝策略。
    else if (!addWorker(command, false))
         reject(command);
}

我们可以大概看下思路图：

先解释下ctl

每日六道java新手入门面试题,通往自由的道路--线程池

变量ctl定义为AtomicInteger，记录了“线程池中的任务数量”和“线程池的状态”两个信息。以高三位记录着线程池的状态和低29位记录线程池中的任务数量。

RUNNING : 111
SHUTDOWN : 000
STOP : 001
TIDYING : 010
TERMINATED : 011

最后总结一下执行过程：

  • 任务到达时，会先判断核心线程是否满了，不满则调用addWorker方法创建核心线程执行任务。
  • 然后会判断下线程池中的线程数 < 核心线程，无论线程是否空闲，都会新建一个核心线程执行任务（让核心线程数量快速达到核心线程总数）。此步骤会开启锁mainLock.lock();。
  • 而在线程池中的线程数 >= 核心线程时，新来的线程任务会进入任务阻塞队列中等待，然后空闲的核心线程会依次去阻塞队列中取任务来执行。
  • 当阻塞队列满了，说明这个时候任务很多了，此时就需要一些非核心线程临时工来执行这些任务了。于是会创建非核心线程去执行这个任务。
  • 最后当阻塞队列满了， 且总线程数达到了maximumPoolSize，则会采取拒绝策略进行处理。
  • 当非核心线程取任务的时间达到keepAliveTime还没有取到任务即空闲时间，就会回收非核心线程。

 

6. 能否写一个简单线程池的demo？

这里还是直接用简单的ThreadPoolExecutor创建吧，等后续写线程池相关文章，再详细写自己创建的线程池吧。

我们先创建一个任务类Task：

/**
 * 自定义任务类
 */
public class Task implements Runnable{
    private int id;
    public Task(int id) {
        this.id = id;
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "即将执行的任务是" + id + "任务");
        try {
            Thread.sleep(300);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行完成的任务是" + id + "任务");
    }
}

测试代码：

public class ThreadPoolExecutorDemo {
    private static final int CORE_POOL_SIZE = 3;
    private static final int MAX_POOL_SIZE = 5;
    private static final int QUEUE_CAPACITY = 10;
    private static final Long KEEP_ALIVE_TIME = 1l;

    public static void main(String[] args) {
        //通过ThreadPoolExecutor构造函数自定义参数创建
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
                CORE_POOL_SIZE,
                MAX_POOL_SIZE,
                KEEP_ALIVE_TIME,
                TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<>(QUEUE_CAPACITY),
                new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Task task = new Task( i);
            //执行Runnable
            executor.execute(task);
        }
        //终止线程池
        executor.shutdown();
        while (!executor.isTerminated()) {
        }
        System.out.println("线程已经全部执行完");
    }
}

得到的结果：

pool-1-thread-1即将执行的任务是0任务
pool-1-thread-3即将执行的任务是2任务
pool-1-thread-2即将执行的任务是1任务
pool-1-thread-1执行完成的任务是0任务
pool-1-thread-3执行完成的任务是2任务
pool-1-thread-1即将执行的任务是3任务
pool-1-thread-3即将执行的任务是4任务
pool-1-thread-2执行完成的任务是1任务
pool-1-thread-2即将执行的任务是5任务
pool-1-thread-3执行完成的任务是4任务
pool-1-thread-1执行完成的任务是3任务
pool-1-thread-3即将执行的任务是6任务
pool-1-thread-1即将执行的任务是7任务
pool-1-thread-2执行完成的任务是5任务
pool-1-thread-2即将执行的任务是8任务
pool-1-thread-3执行完成的任务是6任务
pool-1-thread-1执行完成的任务是7任务
pool-1-thread-3即将执行的任务是9任务
pool-1-thread-2执行完成的任务是8任务
pool-1-thread-3执行完成的任务是9任务
线程已经全部执行完

 

总结

这篇文章就到这里了，如果这篇文章对你也有所帮助，希望您能多多关注服务器之家的更多内容！

原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_45766180/article/details/118230619

标签：
Java 线程池 面试题 

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