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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

作者:太子爷哪吒

这篇文章主要为大家分享了最有价值的6道线程池面试题,涵盖内容全面,包括数据结构和算法相关的题目、经典面试编程题等,对hashCode方法的设计、垃圾收集的堆和代进行剖析,感兴趣的小伙伴们可以参考一下

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。

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

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:

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:

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

​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:

具体有:

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。

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。

该值相当于核心线程数量 + 非核心线程数量。

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

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。

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:

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。

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 :

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。

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

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:

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,希望您能多多关注脚本之家的更多内容!

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