面试题：Java多线程中的线程池及性能优化

Question

请详细描述Java线程池的工作原理，包括线程池的创建参数（如核心线程数、最大线程数、队列容量等）对其性能的影响。同时，说明在高并发场景下，如何合理配置线程池参数以优化系统性能，并举例说明如何使用Java标准库中的线程池实现一个简单的任务处理场景。

Answer 1

Java线程池工作原理

1. 线程池创建：通过ThreadPoolExecutor类来创建线程池，其构造函数包含核心线程数（corePoolSize）、最大线程数（maximumPoolSize）、存活时间（keepAliveTime）、时间单位（unit）、任务队列（workQueue）以及线程工厂（threadFactory）和拒绝策略（RejectedExecutionHandler）等参数。
2. 任务提交：当提交一个任务到线程池时，线程池会按以下顺序处理：
   • 首先判断核心线程数是否已满，如果未满，则创建新的核心线程来执行任务。
   • 如果核心线程数已满，任务会被放入任务队列（workQueue）中等待执行。
   • 如果任务队列也已满，此时判断线程数是否达到最大线程数，如果未达到，则创建非核心线程来执行任务。
   • 如果线程数达到最大线程数且任务队列已满，根据设置的拒绝策略来处理该任务。
3. 线程复用：线程池中的线程执行完任务后不会立即销毁，而是回到线程池中等待下一个任务，从而实现线程的复用，减少线程创建和销毁的开销。
4. 线程回收：非核心线程如果在指定的存活时间（keepAliveTime）内没有任务可执行，会被回收。

创建参数对性能的影响

1. 核心线程数（corePoolSize）：
   • 过小：导致任务等待，响应时间变长，系统吞吐量降低，因为任务需要等待核心线程空闲。
   • 过大：会占用过多资源，可能导致系统负载过高，特别是在任务执行时间较长且并发任务数较少的情况下，过多的核心线程会浪费系统资源。
2. 最大线程数（maximumPoolSize）：
   • 过小：在高并发场景下，任务队列容易溢出，触发拒绝策略，导致任务无法执行。
   • 过大：会占用过多系统资源，如内存等，而且过多的线程切换也会增加系统开销，降低性能。
3. 队列容量：
   • 过小：任务队列很快就会满，导致更多的线程被创建直到达到最大线程数，增加系统资源消耗。
   • 过大：任务长时间在队列中等待，可能导致任务响应时间变长，而且队列占用过多内存。
4. 存活时间（keepAliveTime）和时间单位（unit）：
   • 存活时间过长：非核心线程长时间不被回收，占用系统资源。
   • 存活时间过短：可能导致线程频繁创建和销毁，增加系统开销。

高并发场景下合理配置线程池参数

1. 分析任务类型：
   • CPU密集型任务：核心线程数一般设置为CPU核心数 + 1，因为CPU密集型任务主要消耗CPU资源，过多的线程会导致线程切换开销增大。例如，一个4核心的CPU，核心线程数设置为5。
   • I/O密集型任务：核心线程数可以设置为2 * CPU核心数，因为I/O操作会使线程等待，需要更多线程来充分利用CPU资源。比如4核心CPU，核心线程数可设为8。
2. 考虑系统资源：要根据服务器的内存、CPU等资源来调整最大线程数和队列容量，避免资源耗尽。
3. 动态调整：可以使用ScheduledThreadPoolExecutor定期监测系统负载，动态调整线程池参数。

简单任务处理场景示例

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小的线程池，核心线程数和最大线程数都为5
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int taskNumber = i;
            executorService.submit(() -> {
                System.out.println("Task " + taskNumber + " is running on thread " + Thread.currentThread().getName());
                // 模拟任务执行
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Task " + taskNumber + " completed");
            });
        }

        // 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}

在上述示例中，使用Executors.newFixedThreadPool(5)创建了一个固定大小为5的线程池，提交10个任务到线程池中执行，每个任务模拟执行1秒。最后调用executorService.shutdown()关闭线程池。