Java面试全解析(21)线程池之 Executors

  • FixedThreadPool(n):创建一个数量固定的线程池,超出的任务会在队列中等待空闲的线程,可用于控制程序的最大并发数。
  • CachedThreadPool():短时间内处理大量工作的线程池,会根据任务数量产生对应的线程,并试图缓存线程以便重复使用,如果限制 60 秒没被使用,则会被移除缓存。
  • SingleThreadExecutor():创建一个单线程线程池。
  • ScheduledThreadPool(n):创建一个数量固定的线程池,支持执行定时性或周期性任务。
  • SingleThreadScheduledExecutor():此线程池就是单线程的 newScheduledThreadPool。
  • WorkStealingPool(n):Java 8 新增创建线程池的方法,创建时如果不设置任何参数,则以当前机器处理器个数作为线程个数,此线程池会并行处理任务,不能保证执行顺序。

下面分别来看以上六种线程池的具体代码使用。

FixedThreadPool 使用

创建固定个数的线程池,具体示例如下:

ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(2);
for (int i = 0; i < 3; i++) {
    fixedThreadPool.execute(() -> {
        System.out.println("CurrentTime - " + LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
}

以上程序执行结果如下:

CurrentTime - 2019-06-27 20:58:58

CurrentTime - 2019-06-27 20:58:58

CurrentTime - 2019-06-27 20:58:59

根据执行结果可以看出,newFixedThreadPool(2) 确实是创建了两个线程,在执行了一轮(2 次)之后,停了一秒,有了空闲线程,才执行第三次。

CachedThreadPool 使用

根据实际需要自动创建带缓存功能的线程池,具体代码如下:

ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    cachedThreadPool.execute(() -> {
        System.out.println("CurrentTime - " +
                           LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
}

以上程序执行结果如下:

CurrentTime - 2019-06-27 21:24:46

CurrentTime - 2019-06-27 21:24:46

CurrentTime - 2019-06-27 21:24:46

CurrentTime - 2019-06-27 21:24:46

CurrentTime - 2019-06-27 21:24:46

CurrentTime - 2019-06-27 21:24:46

CurrentTime - 2019-06-27 21:24:46

CurrentTime - 2019-06-27 21:24:46

CurrentTime - 2019-06-27 21:24:46

CurrentTime - 2019-06-27 21:24:46

根据执行结果可以看出,newCachedThreadPool 在短时间内会创建多个线程来处理对应的任务,并试图把它们进行缓存以便重复使用。

SingleThreadExecutor 使用

创建单个线程的线程池,具体代码如下:

ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
for (int i = 0; i < 3; i++) {
    singleThreadExecutor.execute(() -> {
        System.out.println("CurrentTime - " +
                           LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
}

以上程序执行结果如下:

CurrentTime - 2019-06-27 21:43:34

CurrentTime - 2019-06-27 21:43:35

CurrentTime - 2019-06-27 21:43:36

ScheduledThreadPool 使用

创建一个可以执行周期性任务的线程池,具体代码如下:

ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(2);
scheduledThreadPool.schedule(() -> {
    System.out.println("ThreadPool:" + LocalDateTime.now());
}, 1L, TimeUnit.SECONDS);
System.out.println("CurrentTime:" + LocalDateTime.now());

以上程序执行结果如下:

CurrentTime:2019-06-27T21:54:21.881

ThreadPool:2019-06-27T21:54:22.845

根据执行结果可以看出,我们设置的 1 秒后执行的任务生效了。

SingleThreadScheduledExecutor 使用

创建一个可以执行周期性任务的单线程池,具体代码如下:

ScheduledExecutorService singleThreadScheduledExecutor = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
singleThreadScheduledExecutor.schedule(() -> {
    System.out.println("ThreadPool:" + LocalDateTime.now());
}, 1L, TimeUnit.SECONDS);
System.out.println("CurrentTime:" + LocalDateTime.now());

WorkStealingPool 使用

Java 8 新增的创建线程池的方式,可根据当前电脑 CPU 处理器数量生成相应个数的线程池,使用代码如下:

ExecutorService workStealingPool = Executors.newWorkStealingPool();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    int finalNumber = i;
    workStealingPool.execute(() -> {
        System.out.println("I:" + finalNumber);
    });
}
Thread.sleep(5000);

以上程序执行结果如下:

I:0

I:3

I:2

I:1

I:4

根据执行结果可以看出,newWorkStealingPool 是并行处理任务的,并不能保证执行顺序。

ThreadPoolExecutor VS Executors

ThreadPoolExecutor 和 Executors 都是用来创建线程池的,其中 ThreadPoolExecutor 创建线程池的方式相对传统,而 Executors 提供了更多的线程池类型(6 种),但很不幸的消息是在实际开发中并不推荐使用 Executors 的方式来创建线程池。

无独有偶《阿里巴巴 Java 开发手册》中对于线程池的创建也是这样规定的,内容如下:

线程池不允许使用 Executors 去创建,而是通过 ThreadPoolExecutor 的方式,这样的处理方式让写的读者更加明确线程池的运行规则,规避资源耗尽的风险。

说明:Executors 返回的线程池对象的弊端如下:

1)FixedThreadPool 和 SingleThreadPool:

允许的请求队列长度为 Integer.MAX_VALUE,可能会堆积大量的请求,从而导致 OOM。

2)CachedThreadPool 和 ScheduledThreadPool:

允许的创建线程数量为 Integer.MAX_VALUE,可能会创建大量的线程,从而导致 OOM。

OOM 是 OutOfMemoryError 的缩写,指内存溢出的意思。

为什么不允许使用 Executors?

我们先来看一个简单的例子:

ExecutorService maxFixedThreadPool =  Executors.newFixedThreadPool(10);
for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
    maxFixedThreadPool.execute(()->{
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
}

之后设置 JVM(Java 虚拟机)的启动参数: -Xmx10m -Xms10m (设置 JVM 最大运行内存等于 10M)运行程序,会抛出 OOM 异常,信息如下:

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded

at java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue.offer(LinkedBlockingQueue.java:416)

at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.execute(ThreadPoolExecutor.java:1371)

at xxx.main(xxx.java:127)

为什么 Executors 会存在 OOM 的缺陷?

通过以上代码,找到了 FixedThreadPool 的源码,代码如下:

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

可以看到创建 FixedThreadPool 使用了 LinkedBlockingQueue 作为任务队列,继续查看 LinkedBlockingQueue 的源码就会发现问题的根源,源码如下:

public LinkedBlockingQueue() {
    this(Integer.MAX_VALUE);
}

当使用 LinkedBlockingQueue 并没有给它指定长度的时候,默认长度为 Integer.MAX_VALUE,这样就会导致程序会给线程池队列添加超多个任务,因为任务量太大就有造成 OOM 的风险。

相关面试题

1.以下程序会输出什么结果?

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService workStealingPool = Executors.newWorkStealingPool();
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        int finalNumber = i;
        workStealingPool.execute(() -> {
            System.out.print(finalNumber);
        });
    }
}

A:不输出任何结果 B:输出 0 到 4(包含0、4)的有序数字 C:输出 0 到 4(包含0、4)的无序数字 D:以上全对

答:C

题目解析:newWorkStealingPool 内部实现是 ForkJoinPool,它的工作方式是使用分治算法,递归地将任务分割成更小的子任务,然后把子任务分配给不同的线程执行并发执行。

2.Executors 能创建单线程的线程池吗?怎么创建?

答:Executors 可以创建单线程线程池,创建分为两种方式:

  • Executors.newSingleThreadExecutor():创建一个单线程线程池。
  • Executors.newSingleThreadScheduledExecutor():创建一个可以执行周期性任务的单线程池。

3.Executors 中哪个线程适合执行短时间内大量任务?

答:newCachedThreadPool() 适合处理大量短时间工作任务。它会试图缓存线程并重用,如果没有缓存任务就会新创建任务,如果线程的限制时间超过六十秒,则会被移除线程池,因此它比较适合短时间内处理大量任务。

4.可以执行周期性任务的线程池都有哪些?

答:可执行周期性任务的线程池有两个,分别是:newScheduledThreadPool() 和 newSingleThreadScheduledExecutor(),其中 newSingleThreadScheduledExecutor() 是 newScheduledThreadPool() 的单线程版本。

5.JDK 8 新增了什么线程池?有什么特点?

答:JDK 8 新增的线程池是 newWorkStealingPool(n),如果不指定并发数(也就是不指定 n),newWorkStealingPool() 会根据当前 CPU 处理器数量生成相应个数的线程池。它的特点是并行处理任务的,不能保证任务的执行顺序。

6.newFixedThreadPool 和 ThreadPoolExecutor 有什么关系?

答:newFixedThreadPool 是 ThreadPoolExecutor 包装,newFixedThreadPool 底层也是通过 ThreadPoolExecutor 实现的。

newFixedThreadPool 的实现源码如下:

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

7.单线程的线程池存在的意义是什么?

答:单线程线程池提供了队列功能,如果有多个任务会排队执行,可以保证任务执行的顺序性。单线程线程池也可以重复利用已有线程,减低系统创建和销毁线程的性能开销。

8.线程池为什么建议使用 ThreadPoolExecutor 创建,而非 Executors?

答:使用 ThreadPoolExecutor 能让开发者更加明确线程池的运行规则,避免资源耗尽的风险。

Executors 返回线程池的缺点如下:

  • FixedThreadPool 和 SingleThreadPool 允许请求队列长度为 Integer.MAX_VALUE,可能会堆积大量请求,可能会导致内存溢出;
  • CachedThreadPool 和 ScheduledThreadPool 允许创建线程数量为 Integer.MAX_VALUE,创建大量线程,可能会导致内存溢出。

总结

Executors 可以创建 6 种不同类型的线程池,其中 newFixedThreadPool() 适合执行单位时间内固定的任务数,newCachedThreadPool() 适合短时间内处理大量任务,newSingleThreadExecutor() 和 newSingleThreadScheduledExecutor() 为单线程线程池,而 newSingleThreadScheduledExecutor() 可以执行周期性的任务,是 newScheduledThreadPool(n) 的单线程版本,而 newWorkStealingPool() 为 JDK 8 新增的并发线程池,可以根据当前电脑的 CPU 处理数量生成对比数量的线程池,但它的执行为并发执行不能保证任务的执行顺序。