面试题：Java线程池与CPU密集型任务的资源隔离

Question

在一个大型Java应用中，存在多种类型的任务，其中CPU密集型任务需要与其他I/O密集型等任务进行资源隔离，以避免相互干扰。请设计一种基于Java线程池的资源隔离方案，详细阐述线程池的创建、任务提交策略、资源监控与调整机制等内容。

Answer 1

1. 线程池的创建

• CPU密集型线程池：

  int cpuCore = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
  ThreadPoolExecutor cpuThreadPool = new ThreadPoolExecutor(
      cpuCore, 
      cpuCore, 
      0L, 
      TimeUnit.MILLISECONDS, 
      new LinkedBlockingQueue<>(100),
      new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
  

  解释：核心线程数和最大线程数设置为CPU核心数，因为CPU密集型任务主要靠CPU运算，过多线程反而会增加上下文切换开销。使用LinkedBlockingQueue作为任务队列，CallerRunsPolicy策略表示当队列满且线程池达到最大线程数时，新任务由提交任务的线程执行，这样能保证任务不会被丢弃。
• I/O密集型线程池：

  int ioCore = cpuCore * 2;
  ThreadPoolExecutor ioThreadPool = new ThreadPoolExecutor(
      ioCore, 
      ioCore * 2, 
      60L, 
      TimeUnit.SECONDS, 
      new LinkedBlockingQueue<>(200),
      new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
  

  解释：I/O密集型任务在等待I/O操作时线程会空闲，所以核心线程数可以设置为CPU核心数的2倍左右，最大线程数可以适当更大，这里设置为核心线程数的2倍。队列容量可根据实际情况调整，同样使用CallerRunsPolicy避免任务丢弃。

2. 任务提交策略

• CPU密集型任务：

  cpuThreadPool.submit(() -> {
      // CPU密集型任务逻辑，例如复杂的计算
      long result = 0;
      for (long i = 0; i < 1000000000L; i++) {
          result += i;
      }
      return result;
  });
  

  直接将CPU密集型任务提交到CPU密集型线程池，确保任务在独立的资源环境中运行，避免对其他类型任务的干扰。
• I/O密集型任务：

  ioThreadPool.submit(() -> {
      // I/O密集型任务逻辑，例如文件读取或网络请求
      try {
          FileReader reader = new FileReader("largeFile.txt");
          int data;
          while ((data = reader.read()) != -1) {
              // 处理读取的数据
          }
          reader.close();
      } catch (IOException e) {
          e.printStackTrace();
      }
  });
  

  将I/O密集型任务提交到I/O密集型线程池，保证其有足够的资源处理I/O等待，同时不影响CPU密集型任务的执行。

3. 资源监控与调整机制

• 资源监控：
  • 使用ThreadMXBean监控CPU使用情况：

    ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();
    long cpuTimeBefore = threadMXBean.getCurrentThreadCpuTime();
    // 执行任务
    Future<Long> future = cpuThreadPool.submit(() -> {
        long result = 0;
        for (long i = 0; i < 1000000000L; i++) {
            result += i;
        }
        return result;
    });
    try {
        long result = future.get();
        long cpuTimeAfter = threadMXBean.getCurrentThreadCpuTime();
        long cpuUsage = cpuTimeAfter - cpuTimeBefore;
        System.out.println("CPU usage: " + cpuUsage);
    } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    

  • 使用MBean监控线程池状态：

    ManagementFactory.getPlatformMBeanServer().registerMBean(cpuThreadPool, new ObjectName("ThreadPool:name=cpuThreadPool"));
    

    这样可以通过JMX工具监控线程池的运行状态，如活跃线程数、任务队列大小等。
• 调整机制：
  • 动态调整线程池大小：

    // 根据CPU使用率调整CPU密集型线程池大小
    if (cpuUsage > 80) {
        if (cpuThreadPool.getCorePoolSize() < cpuCore * 2) {
            cpuThreadPool.setCorePoolSize(cpuThreadPool.getCorePoolSize() + 1);
            cpuThreadPool.setMaximumPoolSize(cpuThreadPool.getCorePoolSize() + 1);
        }
    } else if (cpuUsage < 20) {
        if (cpuThreadPool.getCorePoolSize() > cpuCore) {
            cpuThreadPool.setCorePoolSize(cpuThreadPool.getCorePoolSize() - 1);
            cpuThreadPool.setMaximumPoolSize(cpuThreadPool.getCorePoolSize() - 1);
        }
    }
    

    解释：根据CPU使用率动态调整CPU密集型线程池的核心线程数和最大线程数，避免资源浪费或过度竞争。对于I/O密集型线程池也可类似根据I/O等待时间等指标进行调整。

通过以上基于Java线程池的资源隔离方案，可以有效地将CPU密集型任务和I/O密集型任务进行资源隔离，同时通过资源监控和调整机制保证系统资源的高效利用。