Java教程
10问10答：你真的了解线程池吗？
简介： 《Java开发手册》中强调，线程资源必须通过线程池提供，而创建线程池必须使用ThreadPoolExecutor。手册主要强调利用线程池避免两个问题，一是线程过渡切换，二是避免请求过多时造成OOM。但是如果参数配置错误，还是会引发上面的两个问题。所以本节我们主要是讨论ThreadPoolExecutor的一些技术细节，并且给出几个常用的最佳实践建议。
作者 | 风楼
来源 | 阿里技术公众号
《Java开发手册》中强调，线程资源必须通过线程池提供，而创建线程池必须使用ThreadPoolExecutor。手册主要强调利用线程池避免两个问题，一是线程过渡切换，二是避免请求过多时造成OOM。但是如果参数配置错误，还是会引发上面的两个问题。所以本节我们主要是讨论ThreadPoolExecutor的一些技术细节，并且给出几个常用的最佳实践建议。
我在查找资料的过程中，发现有些问题存在争议。后面发现，一部分原因是因为不同JDK版本的现实是有差异的。因此，下面的分析是基于当下最常用的版本JDK1.8，并且对于存在争议的问题，我们分析源码，源码才是最准确的。
1 corePoolSize=0会怎么样
这是一个争议点。我发现大部分博文，不论是国内的还是国外的，都是这样回答这个问题的：
- 提交任务后，先判断当前池中线程数是否小于corePoolSize，如果小于，则创建新线程执行这个任务。
- 否者，判断等待队列是否已满，如果没有满，则添加到等待队列。
- 否者，判断当前池中线程数是否大于maximumPoolSize，如果大于则拒绝。
- 否者，创建一个新的线程执行这个任务。
按照上面的描述，如果corePoolSize=0，则会判断等待队列的容量，如果还有容量，则排队，并且不会创建新的线程。
—— 但其实，这是老版本的实现方式，从1.6之后，实现方式就变了。我们直接看execute的源码（submit也依赖它），我备注出了关键一行：
int c = ctl.get();
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 注意这一行代码，添加到等待队列成功后，判断当前池内线程数是否为0，如果是则创建一个firstTask为null的worker，这个worker会从等待队列中获取任务并执行。
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
- 线程池提交任务后，首先判断当前池中线程数是否小于corePoolSize。
- 如果小于则尝试创建新的线程执行该任务；否则尝试添加到等待队列。
- 如果添加队列成功，判断当前池内线程数是否为0，如果是则创建一个firstTask为null的worker，这个worker会从等待队列中获取任务并执行。
- 如果添加到等待队列失败，一般是队列已满，才会再尝试创建新的线程。
- 但在创建之前需要与maximumPoolSize比较，如果小于则创建成功。
- 否则执行拒绝策略。
答
上述问题需区分JDK版本。在1.6版本之后，如果corePoolSize=0，提交任务时如果线程池为空，则会立即创建一个线程来执行任务（先排队再获取）；如果提交任务的时候，线程池不为空，则先在等待队列中排队，只有队列满了才会创建新线程。
所以，优化在于，在队列没有满的这段时间内，会有一个线程在消费提交的任务；1.6之前的实现是，必须等队列满了之后，才开始消费。
2 线程池创建之后，会立即创建核心线程么
之前有人问过我这个问题，因为他发现应用中有些Bean创建了线程池，但是这个Bean一般情况下用不到，所以咨询我是否需要把这个线程池注释掉，以减少应用运行时的线程数（该应用运行时线程过多。）
答
不会。从上面的源码可以看出，在刚刚创建ThreadPoolExecutor的时候，线程并不会立即启动，而是要等到有任务提交时才会启动，除非调用了prestartCoreThread/prestartAllCoreThreads事先启动核心线程。
- prestartCoreThread：Starts a core thread, causing it to idly wait for work. This overrides the default policy of starting core threads only when new tasks are executed.
- prestartAllCoreThreads：Starts all core threads.
3 核心线程永远不会销毁么
这个问题有点tricky。首先我们要明确一下概念，虽然在JavaDoc中也使用了“core/non-core threads”这样的描述，但其实这是一个动态的概念，JDK并没有给一部分线程打上“core”的标记，做什么特殊化的处理。这个问题我认为想要探讨的是闲置线程终结策略的问题。
在JDK1.6之前，线程池会尽量保持corePoolSize个核心线程，即使这些线程闲置了很长时间。这一点曾被开发者诟病，所以从JDK1.6开始，提供了方法allowsCoreThreadTimeOut，如果传参为true，则允许闲置的核心线程被终止。
请注意这种策略和corePoolSize=0的区别。我总结的区别是：
- corePoolSize=0：在一般情况下只使用一个线程消费任务，只有当并发请求特别多、等待队列都满了之后，才开始用多线程。
- allowsCoreThreadTimeOut=true && corePoolSize>1：在一般情况下就开始使用多线程（corePoolSize个），当并发请求特别多，等待队列都满了之后，继续加大线程数。但是当请求没有的时候，允许核心线程也终止。
所以corePoolSize=0的效果，基本等同于allowsCoreThreadTimeOut=true && corePoolSize=1，但实现细节其实不同。
答
在JDK1.6之后，如果allowsCoreThreadTimeOut=true，核心线程也可以被终止。
4 如何保证线程不被销毁
首先我们要明确一下线程池模型。线程池有个内部类Worker，它实现了Runnable接口，首先，它自己要run起来。然后它会在合适的时候获取我们提交的Runnable任务，然后调用任务的run()接口。一个Worker不终止的话可以不断执行任务。
我们前面说的“线程池中的线程”，其实就是Worker；等待队列中的元素，是我们提交的Runnable任务。
每一个Worker在创建出来的时候，会调用它本身的run()方法，实现是runWorker(this)，这个实现的核心是一个while循环，这个循环不结束，Worker线程就不会终止，就是这个基本逻辑。
- 在这个while条件中，有个getTask()方法是核心中的核心，它所做的事情就是从等待队列中取出任务来执行：
- 如果没有达到corePoolSize，则创建的Worker在执行完它承接的任务后，会用workQueue.take()取任务、注意，这个接口是阻塞接口，如果取不到任务，Worker线程一直阻塞。
- 如果超过了corePoolSize，或者allowCoreThreadTimeOut，一个Worker在空闲了之后，会用workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS)取任务。注意，这个接口只阻塞等待keepAliveTime时间，超过这个时间返回null，则Worker的while循环执行结束，则被终止了。
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
try {
// 看这里，核心逻辑在这里
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
w.lock();
// If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
// if not, ensure thread is not interrupted. This
// requires a recheck in second case to deal with
// shutdownNow race while clearing interrupt
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
task.run();
} catch (RuntimeException x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Error x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Throwable x) {
thrown = x; throw new Error(x);
} finally {
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
int wc = workerCountOf(c);
// Are workers subject to culling?
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
try {
// 注意，核心中的核心在这里
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}
答
实现方式非常巧妙，核心线程（Worker）即使一直空闲也不终止，是通过workQueue.take()实现的，它会一直阻塞到从等待队列中取到新的任务。非核心线程空闲指定时间后终止是通过workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS)实现的，一个空闲的Worker只等待keepAliveTime，如果还没有取到任务则循环终止，线程也就运行结束了。
引申思考
Worker本身就是个线程，它再调用我们传入的Runnable.run()，会启动一个子线程么？如果你还没有答案，再回想一下Runnable和Thread的关系。
5 空闲线程过多会有什么问题
笼统地回答是会占用内存，我们分析一下占用了哪些内存。首先，比较普通的一部分，一个线程的内存模型：
- 虚拟机栈
- 本地方法栈
- 程序计数器
我想额外强调是下面这几个内存占用，需要小心：
- ThreadLocal：业务代码是否使用了ThreadLocal？就算没有，Spring框架中也大量使用了ThreadLocal，你所在公司的框架可能也是一样。
- 局部变量：线程处于阻塞状态，肯定还有栈帧没有出栈，栈帧中有局部变量表，凡是被局部变量表引用的内存都不能回收。所以如果这个线程创建了比较大的局部变量，那么这一部分内存无法GC。
- TLAB机制：如果你的应用线程数处于高位，那么新的线程初始化可能因为Eden没有足够的空间分配TLAB而触发YoungGC。
答
线程池保持空闲的核心线程是它的默认配置，一般来讲是没有问题的，因为它占用的内存一般不大。怕的就是业务代码中使用ThreadLocal缓存的数据过大又不清理。
如果你的应用线程数处于高位，那么需要观察一下YoungGC的情况，估算一下Eden大小是否足够。如果不够的话，可能要谨慎地创建新线程，并且让空闲的线程终止；必要的时候，可能需要对JVM进行调参。
6 keepAliveTime=0会怎么样
这也是个争议点。有的博文说等于0表示空闲线程永远不会终止，有的说表示执行完立刻终止。还有的说等于-1表示空闲线程永远不会终止。其实稍微看一下源码知道了，这里我直接抛出答案。
答
在JDK1.8中，keepAliveTime=0表示非核心线程执行完立刻终止。
默认情况下，keepAliveTime小于0，初始化的时候才会报错；但如果allowsCoreThreadTimeOut，keepAliveTime必须大于0，不然初始化报错。
7 怎么进行异常处理
很多代码的写法，我们都习惯按照常见范式去编写，而没有去思考为什么。比如：
- 如果我们使用execute()提交任务，我们一般要在Runable任务的代码加上try-catch进行异常处理。
- 如果我们使用submit()提交任务，我们一般要在主线程中，对Future.get()进行try-catch进行异常处理。
—— 但是在上面，我提到过，submit()底层实现依赖execute()，两者应该统一呀，为什么有差异呢？下面再扒一扒submit()的源码，它的实现蛮有意思。
首先，ThreadPoolExecutor中没有submit的代码，而是在它的父类AbstractExecutorService中，有三个submit的重载方法，代码非常简单，关键代码就两行：
public Future<?> submit(Runnable task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
execute(ftask);
return ftask;
}
public <T> Future<T> submit(Runnable task, T result) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task, result);
execute(ftask);
return ftask;
}
public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
if (task == null) throw new NullPointerException();
RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
execute(ftask);
return ftask;
}
正是因为这三个重载方法，都调用了execute，所以我才说submit底层依赖execute。通过查看这里execute的实现，我们不难发现，它就是ThreadPoolExecutor中的实现，所以，造成submit和execute的差异化的代码，不在这。那么造成差异的一定在newTaskFor方法中。这个方法也就new了一个FutureTask而已，FutureTask实现RunnableFuture接口，RunnableFuture接口继承Runnable接口和Future接口。而Callable只是FutureTask的一个成员变量。
所以讲到这里，就有另一个Java基础知识点：Callable和Future的关系。我们一般用Callable编写任务代码，Future是异步返回对象，通过它的get方法，阻塞式地获取结果。FutureTask的核心代码就是实现了Future接口，也就是get方法的实现：
public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
int s = state;
if (s <= COMPLETING)
// 核心代码
s = awaitDone(false, 0L);
return report(s);
}
private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException {
final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
WaitNode q = null;
boolean queued = false;
// 死循环
for (;;) {
if (Thread.interrupted()) {
removeWaiter(q);
throw new InterruptedException();
}
int s = state;
// 只有任务的状态是’已完成‘，才会跳出死循环
if (s > COMPLETING) {
if (q != null)
q.thread = null;
return s;
}
else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
Thread.yield();
else if (q == null)
q = new WaitNode();
else if (!queued)
queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
q.next = waiters, q);
else if (timed) {
nanos = deadline - System.nanoTime();
if (nanos <= 0L) {
removeWaiter(q);
return state;
}
LockSupport.parkNanos(this, nanos);
}
else
LockSupport.park(this);
}
}
get的核心实现是有个awaitDone方法，这是一个死循环，只有任务的状态是“已完成”，才会跳出死循环；否则会依赖UNSAFE包下的LockSupport.park原语进行阻塞，等待LockSupport.unpark信号量。而这个信号量只有当运行结束获得结果、或者出现异常的情况下，才会发出来。分别对应方法set和setException。这就是异步执行、阻塞获取的原理，扯得有点远了。
回到最初我们的疑问，为什么submit之后，通过get方法可以获取到异常？原因是FutureTask有一个Object类型的outcome成员变量，用来记录执行结果。这个结果可以是传入的泛型，也可以是Throwable异常：
public void run() {
if (state != NEW ||
!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
null, Thread.currentThread()))
return;
try {
Callable<V> c = callable;
if (c != null && state == NEW) {
V result;
boolean ran;
try {
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
result = null;
ran = false;
setException(ex);
}
if (ran)
set(result);
}
} finally {
// runner must be non-null until state is settled to
// prevent concurrent calls to run()
runner = null;
// state must be re-read after nulling runner to prevent
// leaked interrupts
int s = state;
if (s >= INTERRUPTING)
handlePossibleCancellationInterrupt(s);
}
}
// get方法中依赖的，报告执行结果
private V report(int s) throws ExecutionException {
Object x = outcome;
if (s == NORMAL)
return (V)x;
if (s >= CANCELLED)
throw new CancellationException();
throw new ExecutionException((Throwable)x);
}
FutureTask的另一个巧妙的地方就是借用RunnableAdapter内部类，将submit的Runnable封装成Callable。所以就算你submit的是Runnable，一样可以用get获取到异常。
答
- 不论是用execute还是submit，都可以自己在业务代码上加try-catch进行异常处理。我一般喜欢使用这种方式，因为我喜欢对不同业务场景的异常进行差异化处理，至少打不一样的日志吧。
- 如果是execute，还可以自定义线程池，继承ThreadPoolExecutor并复写其afterExecute(Runnable r, Throwable t)方法。
- 或者实现Thread.UncaughtExceptionHandler接口，实现void uncaughtException(Thread t, Throwable e);方法，并将该handler传递给线程池的ThreadFactory。
- 但是注意，afterExecute和UncaughtExceptionHandler都不适用submit。因为通过上面的FutureTask.run()不难发现，它自己对Throwable进行了try-catch，封装到了outcome属性，所以底层方法execute的Worker是拿不到异常信息的。
8 线程池需不需要关闭
答
一般来讲，线程池的生命周期跟随服务的生命周期。如果一个服务（Service）停止服务了，那么需要调用shutdown方法进行关闭。所以ExecutorService.shutdown在Java以及一些中间件的源码中，是封装在Service的shutdown方法内的。
如果是Server端不重启就不停止提供服务，我认为是不需要特殊处理的。
9 shutdown和shutdownNow的区别
答
- shutdown => 平缓关闭，等待所有已添加到线程池中的任务执行完再关闭。
- shutdownNow => 立刻关闭，停止正在执行的任务，并返回队列中未执行的任务。
本来想分析一下两者的源码的，但是发现本文的篇幅已经过长了，源码也贴了不少。感兴趣的朋友自己看一下即可。
10 Spring中有哪些和ThreadPoolExecutor类似的工具
答
这里我想着重强调的就是SimpleAsyncTaskExecutor，Spring中使用的@Async注解，底层就是基于SimpleAsyncTaskExecutor去执行任务，只不过它不是线程池，而是每次都新开一个线程。
另外想要强调的是Executor接口。Java初学者容易想当然的以为Executor结尾的类就是一个线程池，而上面的都是反例。我们可以在JDK的execute方法上看到这个注释：
/**
* Executes the given command at some time in the future. The command
* may execute in a new thread, in a pooled thread, or in the calling
* thread, at the discretion of the {@code Executor} implementation.
*/
所以，它的职责并不是提供一个线程池的接口，而是提供一个“将来执行命令”的接口。真正能代表线程池意义的，是ThreadPoolExecutor类，而不是Executor接口。
最佳实践总结
- 【强制】使用ThreadPoolExecutor的构造函数声明线程池，避免使用Executors类的 newFixedThreadPool和newCachedThreadPool。
- 【强制】 创建线程或线程池时请指定有意义的线程名称，方便出错时回溯。即threadFactory参数要构造好。
- 【建议】建议不同类别的业务用不同的线程池。
- 【建议】CPU密集型任务(N+1)：这种任务消耗的主要是CPU资源，可以将线程数设置为N（CPU核心数）+1，比CPU核心数多出来的一个线程是为了防止线程偶发的缺页中断，或者其它原因导致的任务暂停而带来的影响。一旦任务暂停，CPU就会处于空闲状态，而在这种情况下多出来的一个线程就可以充分利用CPU的空闲时间。
- 【建议】I/O密集型任务(2N)：这种任务应用起来，系统会用大部分的时间来处理I/O交互，而线程在处理I/O的时间段内不会占用CPU来处理，这时就可以将CPU交出给其它线程使用。因此在I/O密集型任务的应用中，我们可以多配置一些线程，具体的计算方法是2N。
- 【建议】workQueue不要使用无界队列，尽量使用有界队列。避免大量任务等待，造成OOM。
- 【建议】如果是资源紧张的应用，使用allowsCoreThreadTimeOut可以提高资源利用率。
- 【建议】虽然使用线程池有多种异常处理的方式，但在任务代码中，使用try-catch最通用，也能给不同任务的异常处理做精细化。
- 【建议】对于资源紧张的应用，如果担心线程池资源使用不当，可以利用ThreadPoolExecutor的API实现简单的监控，然后进行分析和优化。
线程池初始化示例：
private static final ThreadPoolExecutor pool;
static {
ThreadFactory threadFactory = new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("po-detail-pool-%d").build();
pool = new ThreadPoolExecutor(4, 8, 60L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(512),
threadFactory, new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
pool.allowCoreThreadTimeOut(true);
}
- threadFactory：给出带业务语义的线程命名。
- corePoolSize：快速启动4个线程处理该业务，是足够的。
- maximumPoolSize：IO密集型业务，我的服务器是4C8G的，所以4*2=8。
- keepAliveTime：服务器资源紧张，让空闲的线程快速释放。
- pool.allowCoreThreadTimeOut(true)：也是为了在可以的时候，让线程释放，释放资源。
- workQueue：一个任务的执行时长在100~300ms，业务高峰期8个线程，按照10s超时（已经很高了）。10s钟，8个线程，可以处理10 1000ms / 200ms 8 = 400个任务左右，往上再取一点，512已经很多了。
- handler：极端情况下，一些任务只能丢弃，保护服务端。
原文链接
本文为阿里云原创内容，未经允许不得转载。
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