线程池的优雅关闭实践

平时开发中，大家更多的关注的是线程池的创建、任务的提交和执行。往往会忽略线程池的关闭，甚至忘记调用shutdown()方法，导致内存溢出。大多知道需要调用shutdown()关闭线程池，也少研究其真正的关闭过程。

首先看源码中的一句注释：

A pool that is no longer referenced in a program and has no remaining threads will be shutdown automatically.
如果程序中不再持有线程池的引用，并且线程池中没有线程时，线程池将会自动关闭。

线程池自动关闭的两个条件：1、线程池的引用不可达；2、线程池中没有线程；

这里对于条件2解释一下，线程池中没有线程是指线程池中的所有线程都已运行完自动消亡。然而我们常用的FixedThreadPool的核心线程没有超时策略，所以并不会自动关闭。

展示两种不同线程池 不关闭 的情况：

1、FixedThreadPool 示例

public static void main(String[] args) {
    while(true) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(8);
        executorService.execute(() -> System.out.println("running"));
        executorService = null;
    }
}

输出结果：

running
......
running
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread
    at java.lang.Thread.start0(Native Method)
    at java.lang.Thread.start(Thread.java:714)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.addWorker(ThreadPoolExecutor.java:950)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.execute(ThreadPoolExecutor.java:1357)
    at test.PoolTest.main(PoolTest.java:29)

因为FixedThreadPool的核心线程不会自动超时关闭，使用时必须在适当的时候调用shutdown()方法。

2、 CachedThreadPool 示例

public static void main(String[] args) {
    while(true) {
        // 默认keepAliveTime为 60s
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); 
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = (ThreadPoolExecutor) executorService;
        // 为了更好的模拟，动态修改为1纳秒
        threadPoolExecutor.setKeepAliveTime(1, TimeUnit.NANOSECONDS);
        threadPoolExecutor.execute(() -> System.out.println("running"));
    }
}

输出结果：

running
running
running
running
running
......

CachedThreadPool 的线程 keepAliveTime 默认为 60s ，核心线程数量为 0 ，所以不会有核心线程存活阻止线程池自动关闭。 详见 线程池之ThreadPoolExecutor构造 ，为了更快的模拟，构造后将 keepAliveTime 修改为1纳秒，相当于线程执行完马上会消亡，所以线程池可以被回收。实际开发中，如果CachedThreadPool 确实忘记关闭，在一定时间后是可以被回收的。但仍然建议显示关闭。

然而，线程池关闭的意义不仅仅在于结束线程执行，避免内存溢出，因为大多使用的场景并非上述示例那样 朝生夕死。线程池一般是持续工作的全局场景，如数据库连接池。

本文更多要讨论的是当线程池调用shutdown方法后，会经历些什么？思考一下几个问题：

  1. 是否可以继续接受新任务？继续提交新任务会怎样？
  2. 等待队列里的任务是否还会执行？
  3. 正在执行的任务是否会立即中断？

问题1：是否可以继续接受新任务？继续提交新任务会怎样？

public static void main(String[] args) {
    ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(4, 4, 10, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>());
    executor.execute(() -> System.out.println("before shutdown"));
    executor.shutdown();
    executor.execute(() -> System.out.println("after shutdown"));
}

输出结果如下：

before shutdown
Exception in thread "main" java.util.concurrent.RejectedExecutionException: Task PoolTest$$Lambda$2/142257191@3e3abc88 rejected from java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor@6ce253f1[Terminated, pool size = 0, active threads = 0, queued tasks = 0, completed tasks = 1]
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$AbortPolicy.rejectedExecution(ThreadPoolExecutor.java:2047)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.reject(ThreadPoolExecutor.java:823)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.execute(ThreadPoolExecutor.java:1369)
    at PoolTest.main(PoolTest.java:12)

当线程池关闭后，继续提交新任务会抛出异常。这句话也不够准确，不一定是抛出异常，而是执行拒绝策略，默认的拒绝策略是抛出异常。可参见 线程池之ThreadPoolExecutor构造 里面自定义线程池的例子，自定义了忽略策略，但被拒绝时并没有抛出异常。

问题2：等待队列里的任务是否还会执行？

public class WaitqueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Runnable> workQueue = new LinkedBlockingQueue<>();
        for(int i = 1; i <= 100 ; i++){
            workQueue.add(new Task(String.valueOf(i)));
        }
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(1, 1, 10, TimeUnit.SECONDS, workQueue);
        executor.execute(new Task("0"));
        executor.shutdown();
        System.out.println("workQueue size = " + workQueue.size() + " after shutdown");
    }
    
    static class Task implements Runnable{
        String name;
        
        public Task(String name) {
            this.name = name;
        }
        
        @Override
        public void run() {
            for(int i = 1; i <= 10; i++){
                System.out.println("task " + name + " is running");
            }
            System.out.println("task " + name + " is over");
        }
    }
}

这个demo解释一下，我们用LinkedBlockingQueue构造了一个线程池，在线程池启动前，我们先将工作队列填充100个任务，然后执行task 0 后立即shutdown()线程池，来验证线程池关闭队列的任务运行状态。
输出结果如下：

......
task 0 is running
task 0 is over
workQueue size = 100 after shutdown //表示线程池关闭后，队列任然有100个任务
task 1 is running
......
task 100 is running
task 100 is over

从结果中我们可以看到，线程池虽然关闭，但是队列中的任务任然继续执行，所以用 shutdown()方式关闭线程池时需要考虑是否是你想要的效果。

如果你希望线程池中的等待队列中的任务不继续执行，可以使用shutdownNow()方法，将上述代码进行调整，如下：

public class WaitqueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Runnable> workQueue = new LinkedBlockingQueue<>();
        for(int i = 1; i <= 100 ; i++){
            workQueue.add(new Task(String.valueOf(i)));
        }
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(1, 1, 10, TimeUnit.SECONDS, workQueue);
        executor.execute(new Task("0"));
        // shutdownNow有返回值，返回被抛弃的任务list
        List<Runnable> dropList = executor.shutdownNow();
        System.out.println("workQueue size = " + workQueue.size() + " after shutdown");
        System.out.println("dropList size = " + dropList.size());
    }
    
    static class Task implements Runnable{
        String name;
        
        public Task(String name) {
            this.name = name;
        }
        
        @Override
        public void run() {
            for(int i = 1; i <= 10; i++){
                System.out.println("task " + name + " is running");
            }
            System.out.println("task " + name + " is over");
        }
    }
}

输出结果如下：

task 0 is running
workQueue size = 0 after shutdown
task 0 is running
task 0 is running
task 0 is running
task 0 is running
task 0 is running
task 0 is running
task 0 is running
task 0 is running
task 0 is running
dropList size = 100
task 0 is over

从上述输出可以看到，只有任务0执行完毕，其他任务都被drop掉了，dropList的size为100。通过dropList我们可以对未处理的任务进行进一步的处理，如log记录，转发等；

问题3：正在执行的任务是否会立即中断？

要验证这个问题，需要对线程的 interrupt 方法有一定了解。

推荐阅读 ——线程中断机制
关于 interrupt 方法：
首先，一个线程不应该由其他线程来强制中断或停止，而是应该由线程自己自行停止。
所以，Thread.stop, Thread.suspend, Thread.resume 都已经被废弃了。
而 Thread.interrupt 的作用其实也不是中断线程，而是「通知线程应该中断了」，具体到底中断还是继续运行，应该由被通知的线程自己处理。
具体来说，当对一个线程，调用 interrupt() 时，
① 如果线程处于被阻塞状态（例如处于sleep, wait, join 等状态），那么线程将立即退出被阻塞状态，并抛出一个InterruptedException异常。仅此而已。
② 如果线程处于正常活动状态，那么会将该线程的中断标志设置为 true，仅此而已。被设置中断标志的线程将继续正常运行，不受影响。
interrupt() 并不能真正的中断线程，需要被调用的线程自己进行配合才行。也就是说，一个线程如果有被中断的需求，那么就可以这样做。
① 在正常运行任务时，经常检查本线程的中断标志位，如果被设置了中断标志就自行停止线程。
② 在调用阻塞方法时正确处理InterruptedException异常。（例如，catch异常后就结束线程。）

public class InteruptTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(1, 1, 10, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>());
        executor.execute(new Task("0"));
        Thread.sleep(1);
        executor.shutdown();
        System.out.println("executor has been shutdown");
    }

    static class Task implements Runnable {
        String name;

        public Task(String name) {
            this.name = name;
        }

        @Override
        public void run() {
            
            for (int i = 1; i <= 100 && !Thread.interrupted(); i++) {
                Thread.yield();
                System.out.println("task " + name + " is running, round " + i);
            }
            
        }
    }
}

输出结果如下：

task 0 is running, round 1
task 0 is running, round 2
task 0 is running, round 3
......
task 0 is running, round 28
executor has been shutdown
......
task 0 is running, round 99
task 0 is running, round 100

为了体现在任务执行中打断，在主线程进行短暂 sleep ， task 中 调用 Thread.yield() ，出让时间片。从结果中可以看到，线程池被关闭后，正则运行的任务没有被 interrupt。说明shutdown()方法不会 interrupt 运行中线程。再将其改修改为shutdownNow() 后输出结果如下：

task 0 is running, round 1
task 0 is running, round 2
......
task 0 is running, round 56
task 0 is running, round 57
task 0 is running, round 58
task 0 is running, round 59
executor has been shutdown

修改为shutdownNow() 后，task任务没有执行完，执行到中间的时候就被 interrupt 后没有继续执行了。

总结，想要正确的关闭线程池，并不是简单的调用shutdown方法那么简单，要考虑到应用场景的需求，如何拒绝新来的请求任务？如何处理等待队列中的任务？如何处理正在执行的任务？想好这几个问题，在确定如何优雅而正确的关闭线程池。

PS：线程被 interrupt 后，需要再run方法中单独处理 interrupted 状态，interrupt 更类似一个标志位，不会直接打断线程的执行。

多线程系列目录（不断更新中）：
线程启动原理
线程中断机制
多线程实现方式
FutureTask实现原理
线程池之ThreadPoolExecutor概述
线程池之ThreadPoolExecutor使用
线程池之ThreadPoolExecutor状态控制
线程池之ThreadPoolExecutor执行原理
线程池之ScheduledThreadPoolExecutor概述
线程池之ScheduledThreadPoolExecutor调度原理
线程池的优雅关闭实践

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