一個JDK執行緒池BUG引發的GC機制思考
問題描述
前幾天在幫同事排查生產一個線上偶發的執行緒池錯誤
邏輯很簡單，執行緒池執行了一個帶結果的非同步任務。但是最近有偶發的報錯：
java.util.concurrent.RejectedExecutionException: Task java.util.concurrent.FutureTask@a5acd19 rejected from java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor@30890a38[Terminated, pool size = 0, active threads = 0, queued tasks = 0, completed tasks = 0]
本文中的模擬程式碼已經問題都是在HotSpot java8 (1.8.0_221)版本下模擬&出現的
下面是模擬程式碼，通過Executors.newSingleThreadExecutor建立一個單執行緒的執行緒池，然後在呼叫方獲取Future的結果
public class ThreadPoolTest {
public static void main(String[] args) { final ThreadPoolTest threadPoolTest = new ThreadPoolTest(); for (int i = 0; i < 8; i++) { new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { while (true) { Future<String> future = threadPoolTest.submit(); try { String s = future.get(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } catch (ExecutionException e) { e.printStackTrace(); } catch (Error e) { e.printStackTrace(); } } } }).start(); } //子執行緒不停gc，模擬偶發的gc new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { while (true) { System.gc(); } } }).start(); } /** * 非同步執行任務 * @return */ public Future<String> submit() { //關鍵點，通過Executors.newSingleThreadExecutor建立一個單執行緒的執行緒池 ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor(); FutureTask<String> futureTask = new FutureTask(new Callable() { @Override public Object call() throws Exception { Thread.sleep(50); return System.currentTimeMillis() + ""; } }); executorService.execute(futureTask); return futureTask; }
}
分析&疑問
第一個思考的問題是：執行緒池為什麼關閉了，程式碼中並沒有手動關閉的地方。看一下Executors.newSingleThreadExecotor的原始碼實現：
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue
}
這裡建立的實際上是一個FinalizableDelegatedExecutorService，這個包裝類重寫了finalize函式，也就是說這個類會在被GC回收之前，先執行執行緒池的shutdown方法。
問題來了，GC只會回收不可達（unreachable）的物件，在submit函式的棧幀未執行完出棧之前，executorService應該是可達的才對。
對於此問題，先丟擲結論：
當物件仍存在於作用域（stack frame）時，finalize也可能會被執行
oracle jdk文件中有一段關於finalize的介紹：
https://docs.oracle.com/javas...
A reachable object is any object that can be accessed in any potential continuing computation from any live thread.
Optimizing transformations of a program can be designed that reduce the number of objects that are reachable to be less than those which would naively be considered reachable. For example, a Java compiler or code generator may choose to set a variable or parameter that will no longer be used to null to cause the storage for such an object to be potentially reclaimable sooner.
大概意思是：可達物件(reachable object)是可以從任何活動執行緒的任何潛在的持續訪問中的任何物件；java編譯器或程式碼生成器可能會對不再訪問的物件提前置為null，使得物件可以被提前回收
也就是說，在jvm的優化下，可能會出現物件不可達之後被提前置空並回收的情況
舉個例子來驗證一下（摘自https://stackoverflow.com/questions/24376768/can-java-finalize-an-object-when-it-is-still-in-scope）：
class A {
@Override protected void finalize() {
System.out.println(this + " was finalized!");
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
A a = new A();
System.out.println("Created " + a);
for (int i = 0; i < 1_000_000_000; i++) {
if (i % 1_000_00 == 0)
System.gc();
}
System.out.println("done.");
}
}
//列印結果
Created A@1be6f5c3
A@1be6f5c3 was finalized!//finalize方法輸出
done.
從例子中可以看到，如果a在迴圈完成後已經不再使用了，則會出現先執行finalize的情況；雖然從物件作用域來說，方法沒有執行完，棧幀並沒有出棧，但是還是會被提前執行。
現在來增加一行程式碼，在最後一行列印物件a，讓編譯器/程式碼生成器認為後面有物件a的引用
...
System.out.println(a);
//列印結果
Created A@1be6f5c3
done.
A@1be6f5c3
從結果上看，finalize方法都沒有執行（因為main方法執行完成後程序直接結束了），更不會出現提前finalize的問題了
基於上面的測試結果，再測試一種情況，在迴圈之前先將物件a置為null，並且在最後列印保持物件a的引用
A a = new A();
System.out.println("Created " + a);
a = null;//手動置null
for (int i = 0; i < 1_000_000_000; i++) {
if (i % 1_000_00 == 0)
System.gc();
}
System.out.println("done.");
System.out.println(a);
//列印結果
Created A@1be6f5c3
A@1be6f5c3 was finalized!
done.
null
從結果上看，手動置null的話也會導致物件被提前回收，雖然在最後還有引用，但此時引用的也是null了
現在再回到上面的執行緒池問題，根據上面介紹的機制，在分析沒有引用之後，物件會被提前finalize
可在上述程式碼中，return之前明明是有引用的executorService.execute(futureTask)，為什麼也會提前finalize呢？
猜測可能是由於在execute方法中，會呼叫threadPoolExecutor，會建立並啟動一個新執行緒，這時會發生一次主動的執行緒切換，導致在活動執行緒中物件不可達
結合上面Oracle Jdk文件中的描述“可達物件(reachable object)是可以從任何活動執行緒的任何潛在的持續訪問中的任何物件”，可以認為可能是因為一次顯示的執行緒切換，物件被認為不可達了，導致執行緒池被提前finalize了
下面來驗證一下猜想：
//入口函式
public class FinalizedTest {
public static void main(String[] args) {
final FinalizedTest finalizedTest = new FinalizedTest();
for (int i = 0; i < 8; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (true) {
TFutureTask future = finalizedTest.submit();
}
}
}).start();
}
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (true) {
System.gc();
}
}
}).start();
}
public TFutureTask submit(){
TExecutorService TExecutorService = Executors.create();
TExecutorService.execute();
return null;
}
}
//Executors.java，模擬juc的Executors
public class Executors {
/**
* 模擬Executors.createSingleExecutor
* @return
*/
public static TExecutorService create(){
return new FinalizableDelegatedTExecutorService(new TThreadPoolExecutor());
}
static class FinalizableDelegatedTExecutorService extends DelegatedTExecutorService {
FinalizableDelegatedTExecutorService(TExecutorService executor) {
super(executor);
}
/**
* 解構函式中執行shutdown，修改執行緒池狀態
* @throws Throwable
*/
@Override
protected void finalize() throws Throwable {
super.shutdown();
}
}
static class DelegatedTExecutorService extends TExecutorService {
protected TExecutorService e;
public DelegatedTExecutorService(TExecutorService executor) {
this.e = executor;
}
@Override
public void execute() {
e.execute();
}
@Override
public void shutdown() {
e.shutdown();
}
}
}
//TThreadPoolExecutor.java，模擬juc的ThreadPoolExecutor
public class TThreadPoolExecutor extends TExecutorService {
/**
* 執行緒池狀態，false：未關閉，true已關閉
*/
private AtomicBoolean ctl = new AtomicBoolean();
@Override
public void execute() {
//啟動一個新執行緒，模擬ThreadPoolExecutor.execute
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
}
}).start();
//模擬ThreadPoolExecutor，啟動新建執行緒後，迴圈檢查執行緒池狀態，驗證是否會在finalize中shutdown
//如果執行緒池被提前shutdown，則丟擲異常
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++) {
if(ctl.get()){
throw new RuntimeException("reject!!!["+ctl.get()+"]");
}
}
}
@Override
public void shutdown() {
ctl.compareAndSet(false,true);
}
}
執行若干時間後報錯：
Exception in thread "Thread-1" java.lang.RuntimeException: reject!!![true]
從錯誤上來看，“執行緒池”同樣被提前shutdown了，那麼一定是由於新建執行緒導致的嗎？
下面將新建執行緒修改為Thread.sleep測試一下：
//TThreadPoolExecutor.java，修改後的execute方法
public void execute() {
try {
//顯式的sleep 1 ns，主動切換執行緒
TimeUnit.NANOSECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//模擬ThreadPoolExecutor，啟動新建執行緒後，迴圈檢查執行緒池狀態，驗證是否會在finalize中shutdown
//如果執行緒池被提前shutdown，則丟擲異常
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++) {
if(ctl.get()){
throw new RuntimeException("reject!!!["+ctl.get()+"]");
}
}
}
執行結果一樣是報錯
Exception in thread "Thread-3" java.lang.RuntimeException: reject!!![true]
由此可得，如果在執行的過程中，發生一次顯式的執行緒切換，則會讓編譯器/程式碼生成器認為外層包裝物件不可達
總結
雖然GC只會回收不可達GC ROOT的物件，但是在編譯器（沒有明確指出，也可能是JIT）/程式碼生成器的優化下，可能會出現物件提前置null，或者執行緒切換導致的“提前物件不可達”的情況。
所以如果想在finalize方法裡做些事情的話，一定在最後顯示的引用一下物件（toString/hashcode都可以），保持物件的可達性（reachable）
上面關於執行緒切換導致的物件不可達，沒有官方文獻的支援，只是個人一個測試結果，如有問題歡迎指出
綜上所述，這種回收機制並不是JDK的bug，而算是一個優化策略，提前回收而已；但Executors.newSingleThreadExecutor的實現裡通過finalize來自動關閉執行緒池的做法是有Bug的，在經過優化後可能會導致執行緒池的提前shutdown，從而導致異常。
執行緒池的這個問題，在JDK的論壇裡也是一個公開但未解決狀態的問題https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8145304。
不過在JDK11下，該問題已經被修復：
JUC Executors.FinalizableDelegatedExecutorService
public void execute(Runnable command) {
try {
e.execute(command);
} finally { reachabilityFence(this); }
}
來源：segmentfault.com/a/1190000021109130
總結了一些2020年的面試題，這份面試題的包含的模組分為19個模組，分別是： Java 基礎、容器、多執行緒、反射、物件拷貝、Java Web 、異常、網路、設計模式、Spring/Spring MVC、Spring Boot/Spring Cloud、Hibernate、MyBatis、RabbitMQ、Kafka、Zookeeper、MySQL、Redis、JVM 。
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