Java 线程池 Executors 深入使用和避坑指南

通过Executors静态工厂构建线程池，很简单，但也有很大的隐患，稍有不慎就有可能导致线上故障，我们把线程池相关的原理和参数总结一下，避免未来踩坑。

1、Java线程池

虽然Java线程池理论，以及构造线程池的各种参数，以及 Executors 提供的默认实现之前研读过，不过线上还没有发生过线程池误用引发的事故，所以有必要把这些参数再仔细琢磨一遍。

优先补充一些线程池的工作理论，有助于展开下面的内容。线程池顾名思义，就是由很多线程构成的池子，来一个任务，就从池子中取一个线程，处理这个任务。这个理解是我在第一次接触到这个概念时候的理解，虽然整体基本切入到核心，但是实际上会比这个复杂。例如线程池肯定不会无限扩大的，否则资源会耗尽；当线程数到达一个阶段，提交的任务会被暂时存储在一个队列中，如果队列内容可以不断扩大，极端下也会耗尽资源，那选择什么类型的队列，当队列满如何处理任务，都有涉及很多内容。线程池总体的工作过程如下图：

线程池内的线程数的大小相关的概念有两个，一个是核心池大小，还有最大池大小。如果当前的线程个数比核心池个数小，当任务到来，会优先创建一个新的线程并执行任务。当已经到达核心池大小，则把任务放入队列，为了资源不被耗尽，队列的最大容量可能也是有上限的，如果达到队列上限则考虑继续创建新线程执行任务，如果此刻线程的个数已经到达最大池上限，则考虑把任务丢弃。

在 java.util.concurrent 包中，提供了 ThreadPoolExecutor 的实现。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
               int maximumPoolSize,
               long keepAliveTime,
              TimeUnit unit,
               BlockingQueue workQueue,
               ThreadFactory threadFactory,
               RejectedExecutionHandler handler) {
}

既然有了刚刚对线程池工作原理对概述，这些参数就很容易理解了：

corePoolSize- 核心池大小，既然如前原理部分所述。需要注意的是在初创建线程池时线程不会立即启动，直到有任务提交才开始启动线程并逐渐时线程数目达到corePoolSize。若想一开始就创建所有核心线程需调用prestartAllCoreThreads方法。

maximumPoolSize-池中允许的最大线程数。需要注意的是当核心线程满且阻塞队列也满时才会判断当前线程数是否小于最大线程数，并决定是否创建新线程。

keepAliveTime - 当线程数大于核心时，多于的空闲线程最多存活时间

unit - keepAliveTime 参数的时间单位。

workQueue - 当线程数目超过核心线程数时用于保存任务的队列。主要有3种类型的BlockingQueue可供选择：无界队列，有界队列和同步移交。将在下文中详细阐述。从参数中可以看到，此队列仅保存实现Runnable接口的任务。 别看这个参数位置很靠后，但是真的很重要，因为楼主的坑就因这个参数而起，这些细节有必要仔细了解清楚。

threadFactory - 执行程序创建新线程时使用的工厂。

handler - 阻塞队列已满且线程数达到最大值时所采取的饱和策略。java默认提供了4种饱和策略的实现方式：中止、抛弃、抛弃最旧的、调用者运行。将在下文中详细阐述。

2、Executors

Executors 是一个Java中的工具类。提供工厂方法来创建不同类型的线程池。

从上图中也可以看出，Executors的创建线程池的方法，创建出来的线程池都实现了ExecutorService接口。常用方法有以下几个：

newFiexedThreadPool(int Threads)：创建固定数目线程的线程池。

newCachedThreadPool()：创建一个可缓存的线程池，调用execute 将重用以前构造的线程（如果线程可用）。如果没有可用的线程，则创建一个新线程并添加到池中。终止并从缓存中移除那些已有 60 秒钟未被使用的线程。

newSingleThreadExecutor()创建一个单线程化的Executor。

newScheduledThreadPool(int corePoolSize)创建一个支持定时及周期性的任务执行的线程池，多数情况下可用来替代Timer类。

类看起来功能还是比较强大的，又用到了工厂模式、又有比较强的扩展性，重要的是用起来还比较方便，如：

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(nThreads) ;

即可创建一个固定大小的线程池。

但是为什么我说不建议大家使用这个类来创建线程池呢？

我提到的是『不建议』，但是在阿里巴巴Java开发手册中也明确指出，而且用的词是『不允许』使用Executors创建线程池。

3、Executors存在什么问题

在阿里巴巴Java开发手册中提到，使用Executors创建线程池可能会导致OOM(OutOfMemory ,内存溢出)，但是并没有说明为什么，那么接下来我们就来看一下到底为什么不允许使用Executors？

我们先来一个简单的例子，模拟一下使用Executors导致OOM的情况。

/**
 * @author Hollis
 */
public class ExecutorsDemo {
    private static ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(15);
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
            executor.execute(new SubThread());
        }
    }
}

class SubThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
            //do nothing
        }
    }
}

通过指定JVM参数：-Xmx8m -Xms8m 运行以上代码，会抛出OOM:

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 com.hollis.ExecutorsDemo.main(ExecutorsDemo.java:16)

以上代码指出，ExecutorsDemo.java的第16行，就是代码中的executor.execute(new SubThread());。

4、Executors为什么存在缺陷

通过上面的例子，我们知道了Executors创建的线程池存在OOM的风险，那么到底是什么原因导致的呢？我们需要深入Executors的源码来分析一下。

其实，在上面的报错信息中，我们是可以看出蛛丝马迹的，在以上的代码中其实已经说了，真正的导致OOM的其实是LinkedBlockingQueue.offer方法。

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 com.hollis.ExecutorsDemo.main(ExecutorsDemo.java:16)

如果读者翻看代码的话，也可以发现，其实底层确实是通过LinkedBlockingQueue实现的：

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

如果读者对Java中的阻塞队列有所了解的话，看到这里或许就能够明白原因了。

Java中的 BlockingQueue主要有两种实现，分别是ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue。

ArrayBlockingQueue是一个用数组实现的有界阻塞队列，必须设置容量。

LinkedBlockingQueue是一个用链表实现的有界阻塞队列，容量可以选择进行设置，不设置的话，将是一个无边界的阻塞队列，最大长度为Integer.MAX_VALUE。

这里的问题就出在：不设置的话，将是一个无边界的阻塞队列，最大长度为Integer.MAX_VALUE。也就是说，如果我们不设置LinkedBlockingQueue的容量的话，其默认容量将会是Integer.MAX_VALUE。

而newFixedThreadPool中创建LinkedBlockingQueue时，并未指定容量。此时，LinkedBlockingQueue就是一个无边界队列，对于一个无边界队列来说，是可以不断的向队列中加入任务的，这种情况下就有可能因为任务过多而导致内存溢出问题。

上面提到的问题主要体现在newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor两个工厂方法上，并不是说newCachedThreadPool和newScheduledThreadPool这两个方法就安全了，这两种方式创建的最大线程数可能是Integer.MAX_VALUE，而创建这么多线程，必然就有可能导致OOM。

5、创建线程池的正确姿势

避免使用Executors创建线程池，主要是避免使用其中的默认实现，那么我们可以自己直接调用ThreadPoolExecutor的构造函数来自己创建线程池。在创建的同时，给BlockQueue指定容量就可以了。