Java面试题2：Java线程池原理

Java 线程池是一种基于池化思想管理线程的机制，它通过预先创建一定数量的线程，复用已有线程执行任务，避免频繁创建和销毁线程带来的性能开销，同时提供任务队列、线程管理、拒绝策略等功能，是并发编程中优化资源利用和控制并发量的核心组件。

一、核心原理：池化思想与生命周期管理

线程池的核心逻辑是 “预创建线程 + 任务缓存 + 动态调度”：

1. 初始化阶段：创建一定数量的核心线程（Core Pool），处于空闲状态等待任务。
2. 任务提交阶段：
   • 若核心线程未饱和，直接用核心线程执行任务。
   • 若核心线程饱和，任务放入阻塞队列等待。
   • 若队列满且总线程数未达最大线程数（Maximum Pool），创建非核心线程执行任务。
   • 若队列满且总线程数达上限，触发拒绝策略。
3. 线程回收：非核心线程空闲时间超过阈值（Keep Alive Time）时，会被销毁释放资源；核心线程默认不回收（可通过allowCoreThreadTimeOut设置回收）。

二、核心组件（ThreadPoolExecutor）

Java 中最核心的线程池实现是ThreadPoolExecutor，其构造方法定义了线程池的核心参数：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,        // 核心线程数int maximumPoolSize,     // 最大线程数long keepAliveTime,      // 非核心线程空闲超时时间TimeUnit unit,           // 超时时间单位BlockingQueue<Runnable> workQueue,  // 任务阻塞队列ThreadFactory threadFactory,        // 线程工厂（创建线程的方式）RejectedExecutionHandler handler    // 拒绝策略
)

1. 核心参数解析

• corePoolSize（核心线程数）：线程池长期维持的线程数量，即使线程空闲也不会销毁（除非允许核心线程超时）。
• maximumPoolSize（最大线程数）：线程池允许创建的最大线程数（核心线程 + 非核心线程），控制资源上限。
• keepAliveTime + unit：非核心线程空闲超过该时间后，会被销毁以节省资源。
• workQueue（任务队列）：用于缓存待执行任务的阻塞队列，常见实现：
  • ArrayBlockingQueue：基于数组的有界队列，容量固定。
  • LinkedBlockingQueue：基于链表的队列，默认无界（可能导致 OOM）。
  • SynchronousQueue：无缓冲队列，提交任务时必须有线程立即接收，否则创建新线程（配合maximumPoolSize=Integer.MAX_VALUE时相当于 “无限线程”）。
  • PriorityBlockingQueue：优先级队列，按任务优先级执行。
• threadFactory（线程工厂）：定义线程的创建方式（如线程名称、是否为守护线程、优先级等），默认使用Executors.defaultThreadFactory()。
• handler（拒绝策略）：当任务队列满且线程数达上限时，对新任务的处理策略，JDK 默认提供 4 种：
  • AbortPolicy：直接抛出RejectedExecutionException（默认策略）。
  • CallerRunsPolicy：让提交任务的线程自己执行（减缓任务提交速度）。
  • DiscardPolicy：直接丢弃新任务，无任何提示。
  • DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最旧的任务，尝试提交新任务。

2. 任务执行流程（核心逻辑）

ThreadPoolExecutor的execute()方法是任务提交的入口，流程如下：

提交任务 → 核心线程未满？→ 新建核心线程执行↓ 否任务队列未满？→ 放入队列等待↓ 否总线程数未达最大？→ 新建非核心线程执行↓ 否执行拒绝策略

三、线程池的生命周期

ThreadPoolExecutor通过状态控制线程池的生命周期，状态定义在源码中：

• RUNNING：正常运行，可接收任务并执行。
• SHUTDOWN：调用shutdown()后进入，不再接收新任务，但会执行完队列中已有任务。
• STOP：调用shutdownNow()后进入，不再接收新任务，中断正在执行的任务，清空队列。
• TIDYING：所有任务执行完毕，线程数为 0，准备进入 TERMINATED。
• TERMINATED：线程池彻底终止（terminated()钩子方法执行完毕）。

状态转换路径：RUNNING → SHUTDOWN → TIDYING → TERMINATEDRUNNING → STOP → TIDYING → TERMINATED

四、常见线程池（Executors 工具类）

JDK 的Executors提供了几种预配置的线程池，但实际开发中不推荐直接使用（可能存在资源耗尽风险），需理解其实现：

1. FixedThreadPool（固定大小线程池）：
   • 核心线程数 = 最大线程数，无超时时间，队列使用无界LinkedBlockingQueue。
   • 风险：任务过多时队列无限增长，可能导致 OOM。
2. CachedThreadPool（缓存线程池）：
   • 核心线程数 = 0，最大线程数 = Integer.MAX_VALUE，队列使用SynchronousQueue，超时时间 60 秒。
   • 风险：任务突增时可能创建大量线程，导致 CPU / 内存耗尽。
3. SingleThreadExecutor（单线程线程池）：
   • 核心线程数 = 最大线程数 = 1，无界队列，所有任务串行执行。
   • 风险：同 FixedThreadPool，队列可能无限增长。
4. ScheduledThreadPool（定时任务线程池）：
   • 支持定时 / 周期性任务，核心线程数固定，最大线程数 = Integer.MAX_VALUE。

五、线程池的优势

1. 降低资源消耗：复用线程，减少创建 / 销毁线程的开销（线程是重量级资源，涉及内核态操作）。
2. 提高响应速度：任务无需等待线程创建，直接由空闲线程执行。
3. 控制并发量：通过最大线程数和队列限制，避免线程过多导致的 CPU 切换开销和内存溢出。
4. 便于管理：提供任务统计、线程监控、生命周期控制等功能（如getActiveCount()、getCompletedTaskCount()）。

六、最佳实践

1. 避免使用 Executors：手动创建ThreadPoolExecutor，明确核心参数（尤其是队列大小和最大线程数）。
2. 合理设置核心参数：
   • 计算密集型任务（如数学运算）：核心线程数 ≈ CPU 核心数 + 1（减少线程切换）。
   • IO 密集型任务（如网络 / 数据库操作）：核心线程数 ≈ CPU 核心数 * 2（利用 IO 等待时间并行处理）。
   • 队列使用有界队列，避免 OOM；最大线程数不宜过大，防止资源耗尽。
3. 自定义线程工厂：设置线程名称（如"task-pool-%d"），便于问题排查。
4. 选择合适的拒绝策略：生产环境避免默认的AbortPolicy，可自定义策略（如记录日志 + 重试）。
5. 监控线程池状态：通过ThreadPoolExecutor的方法监控活跃线程数、队列任务数等，及时发现异常。