【Java面试】十九、并发篇（下）：线程池

文章目录

  • 1、为什么要使用线程池
  • 2、线程池的执行原理
    • 2.1 七个核心参数
    • 2.2 线程池的执行原理
  • 3、线程池用到的常见的阻塞队列有哪些
  • 4、如何确定核心线程数开多少个？
  • 5、线程池的种类有哪些？
  • 6、为什么不建议用Executors封装好的静态方法创建线程池
  • 7、线程池的使用场景
  • 8、如何控制某个方法运行并发访问线程的数量
  • 9、ThreadLocal相关
    • 9.1 理解
    • 9.2 ThreadLocal的内存泄露问题

1、为什么要使用线程池

  • 降低资源消耗：降低避免频繁创建和销毁线程的代价
  • 提高响应速度：任务达到时，不用再等待创建线程
  • 线程管理方便：线程过多，调度开销大，用线程池可防止过分调度，且可以做统一的监控、分配、调优

此外，还有：

  • 每次创建线程，都要占用一定的内存空间，如果无限制的创建线程，会浪费内存
  • 一核的CPU，同一时刻只能处理一个线程，如果大量请求一来就创建对应数量的线程，那很多线程也没有CPU时间片，只能阻塞，还会导致线程之间频繁切换

2、线程池的执行原理

2.1 七个核心参数

以银行为例对比：银行大厅一共有10个窗口（最大线程数量），但平时一般只开5个（常驻线程数量），某天办理业务的人很多，5个窗口不够用，其余人来了就先在大厅椅子上坐着等（阻塞队列），结果椅子坐满了，还有人陆续来，于是10个窗口全开，还来很多人，那就只能告诉新来的今天轮不到你办了（拒绝策略）。

在这里插入图片描述

解释：

  • corePoolSize：核心线程数目
  • maximumPoolSize：最大线程数目 = 核心线程+ 救急线程的最大数目
  • keepAliveTime：救急线程的生存时间，没有活跃的任务给救急线程处理了，超过了生存时间就会释放
  • unit：救急线程的生存时间单位
  • workQueue：当没有空闲核心线程时，新来任务会加入到此队列排队，队列满会创建救急线程执行任务（阻塞队列）
  • threadFactory：线程工厂，定制线程对象的创建，如设置线程名字、是否是守护线程
  • handler：拒绝策略 ，当所有线程都在繁忙， workQueue 也放满时，会触发拒绝策略

2.2 线程池的执行原理

提交一个任务到线程池以后：先判断核心线程数是否满了，否则直接让核心线程去执行，反之继续判断阻塞队列是否已满，没满就扔阻塞队列，满了就看线程数是否超过总数，没超，说明还有应急线程可用，反之则走拒绝策略：

  • AbortPolicy：直接抛出异常，默认策略
  • CallerRunsPolicy：用调用者所在的线程来执行任务，如main线程
  • DiscardOldestPolicy：丢弃阻塞队列中靠最前的任务，并执行当前任务
  • DiscardPolicy：直接丢弃当前任务，不抛异常

注意，救急线程（或者叫临时线程、非核心线程）执行完手里的任务后，会检查阻塞队列中是否有需要执行的线程，有则继续干。对于核心线程，正式工，它们一直存在，自然更要检查阻塞队列，然后继续干队列里的活儿。

在这里插入图片描述

3、线程池用到的常见的阻塞队列有哪些

【阻塞队列】

当没有空闲核心线程时，新来任务会加入到此队列排队，队列满会创建救急线程执行任务，常见的有：

  • ArrayBlockingQueue：基于数组结构的有界阻塞队列，FIFO
  • LinkedBlockingQueue：基于链表结构的有界阻塞队列（长度默认Int的最大值），FIFO
  • DelayedWorkQueue ：是一个优先级队列，它可以保证每次出队的任务都是当前队列中执行时间最靠前
  • SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列，每个插入操作都必须等待一个移出操作

LinkedBlockingQueue最为常用：

在这里插入图片描述

关于两把锁和一把锁：每个提交的任务封装成一个Node对象放进阻塞队列时，LinkedBlockingQueue 使用了两个锁，一个是 takeLock 用于控制出队操作，另一个是 putLock 用于控制入队操作。ArrayBlockingQueue则出队和入队都是同一把锁。

在这里插入图片描述

最后，PS：

线程池的阻塞队列中存储的是任务对象（实现了 Runnable 或 Callable 接口的实例），线程池中的工作线程不断从阻塞队列中取出任务并执行

4、如何确定核心线程数开多少个？

假设N为CPU的核心数。

1）如果场景是高并发且任务执行时间短，核心线程数设置为N+ 1，减少线程上下文切换

2）如果是并发不高，且执行任务时间长，则：

  • 对于IO密集型任务，如文件读写、DB读写、网络请求，核心线程数设置为2N + 1
  • 对于CPU密集型任务，如计算型代码、Bitmap转换，核心线程数设置为N+ 1

因为对于IO密集的任务，其不耗费CPU，而偏计算型的任务（CPU密集型任务），设置为N + 1可以避免频繁切换CPU

在这里插入图片描述

最后，如果是并发高且每个业务执行时间也长，那这是优化重点就不是线程池了，而是整体架构，比如是否加入缓存，是否增加服务器，再看核心数是N+1 还是 2N+1

5、线程池的种类有哪些？

java.util.concurrent.Executors中提供了大量创建线程池的静态方法，常见的有：

1）固定线程数的线程池

在这里插入图片描述

  • 核心线程数与最大线程数相等，没有救急线程
  • 阻塞队列是 LinkedBlockingQueue，最大容量为int最大值

适用于任务量已知，相对耗时的任务

2）单线程的线程池

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  • 核心线程数与最大线程数都是1，没有救急线程
  • 阻塞队列是 LinkedBlockingQueue，最大容量为int的最大值

只有一个线程，后面的请求过来，对应的线程进入阻塞队列，因此可以保证所有任务按顺序执行

3）可缓存的线程池

若线程池长度超过了处理需要，则灵活回收空闲线程，反之，则新建线程
在这里插入图片描述

  • 核心线程数为 0
  • 最大线程数为int的最大值
  • 阻塞队列为 SynchronousQueue，是一种不存储元素的阻塞队列，一个线程写入了数据，就必须得有一个线程取，否则不能再继续添加，用于传递性的场景

适合任务数比较密集，但每个任务执行时间较短的情况，否则会创建出大量线程

4）可执行延迟任务的线程池

源码：

在这里插入图片描述

如下，提交三个任务，分别延时0、1、5秒后可以从延迟队列中取到这个任务，然后从线程池分配个线程去执行

在这里插入图片描述

6、为什么不建议用Executors封装好的静态方法创建线程池

在这里插入图片描述

7、线程池的使用场景

单个任务处理时间比较短，但需要处理的任务的数量大。具体场景有：

  • 批量导入：如MySQL同步到ES。线程池 + CountDownLatch，分批导入Especially，防止OOM
  • 数据汇总：如资产全景、报表展示。调用多个接口汇总数据，且这些接口之间没有依赖关系，可用线程池 + future提高性能
  • 异步：如保存搜索记录，异步线程调用下一个方法，不影响上一级方法的性能

【以上三个使用场景的代码实现】

8、如何控制某个方法运行并发访问线程的数量

【JUC辅助类】

使用JUC辅助类Semaphore，维护一定数量的信号量，底层为AQS。常用于实现限流。

在这里插入图片描述

public class SemaphoreDemo {

    public static void main(String[] args) {
        //创建Semaphore，设置许可数量，三个车位，对应三个许可证
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
        //模拟6辆汽车
        for (int i = 1; i <= 6; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    //抢占许可证
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到了车位");
                    //设置一个5s以内的随机时间，模拟停车
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(5));
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=====> 离开了车位");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    //释放许可
                    semaphore.release();
                }
            },String.valueOf(i)).start();


        }
    }
}

在这里插入图片描述

和对象锁类似，不同的是，一个对象一把锁，而Semaphore可以自己指定信号量，一个信号量类似一把锁。

9、ThreadLocal相关

9.1 理解

成员变量，本来有线程安全问题，用ThreadLocal包装一下，则可实现每个线程都有自己的独立副本。 如用JDBC操作数据库时，会将各自的Connection对象用ThreadLocal包装，从而保证每个线程都在自己的Connection上操作数据库

在这里插入图片描述

ThreadLocal让每个线程只操作自己内部的值，从而实现线程数据隔离。ThreadLocal的结构如下，其有个内部类ThreadLocalMap，而ThreadLocalMap中有个table属性，是一个数组，数组里存着一个个的Entry对象。

在这里插入图片描述

而每个线程对象，又有ThreadLocal.ThreadLocalMap类型的属性，即每个线程对象，都有一个ThreadLocalMap对象。调用ThreadLocal的set、get、remove时，都是操作的当前线程的ThreadLocalMap的Entry类型的数组，这也是ThreadLocal对象实现线程隔离的关键，普通对象的set、get改的是普通对象自己，而ThreadLocal对象set、get改的当前线程对象的属性。

在这里插入图片描述

Thread、ThreadLocal、ThreadLocalMap的Entry数组，分别就像人、人的各种卡片（如身份证、学生证）、存各种卡片的卡包。每个人都有一个自己的卡包，卡包里装的卡片外形都一样（类比ThreadLcoal类型的成员变量），但卡片上面记录的信息是私有的，每个人的都不同（类比每个线程给ThreadLcoal类型的成员变量赋的值都不同）。

在这里插入图片描述
【ThreadLocal】

9.2 ThreadLocal的内存泄露问题

ThreadLocalMap 中的 key是弱引用，value 为强引用，key会被GC释放内存，关联 value的内存并不会释放，建议主动remove 释放 key，value

在这里插入图片描述

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