JAVA ExecutorService关闭不当导致内存持续上涨问题解析

大家好，今天我们来探讨一个在并发编程中常见，但又容易被忽视的问题：JAVA ExecutorService关闭不当导致的内存持续上涨。很多开发者在使用ExecutorService时，仅仅关注如何提交任务，而忽略了如何正确地关闭它，这会导致资源泄漏，最终引发内存溢出。

1. ExecutorService的基本概念和用法

ExecutorService是JAVA并发包(java.util.concurrent)中一个核心接口，它提供了一种管理和执行异步任务的机制。它允许我们将任务提交给一个线程池，由线程池中的线程来执行这些任务，从而避免了频繁创建和销毁线程的开销。

ExecutorService的常见用法如下：

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

public class ExecutorServiceExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建一个固定大小的线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);

        // 定义一个任务
        Callable<String> task = () -> {
            System.out.println("Executing task in thread: " + Thread.currentThread().getName());
            Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作
            return "Task completed";
        };

        // 提交任务给线程池
        Future<String> future = executor.submit(task);

        // 获取任务执行结果
        String result = future.get(); // 阻塞直到任务完成

        System.out.println("Result: " + result);

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

在这个例子中，我们创建了一个包含5个线程的固定大小线程池，然后提交了一个实现了Callable接口的任务。 executor.submit(task)方法将任务提交给线程池，并返回一个Future对象，我们可以通过Future.get()方法获取任务的执行结果。最后，我们调用executor.shutdown()方法来关闭线程池。

2. 为什么需要关闭ExecutorService？

当ExecutorService不再需要时，必须正确地关闭它。如果不关闭，线程池中的线程会继续存活，等待新的任务到来。如果ExecutorService持有一些资源（例如数据库连接、文件句柄等），这些资源也会被一直占用，造成资源泄漏。更严重的是，如果大量任务提交给一个未关闭的ExecutorService，而这些任务又持有一些对象引用，那么这些对象将无法被垃圾回收，导致内存持续上涨，最终引发OutOfMemoryError。

3. ExecutorService的关闭方法：shutdown() vs shutdownNow()

ExecutorService提供了两种关闭方法：shutdown() 和 shutdownNow()。它们之间的区别在于：

shutdown(): 平滑关闭。它会阻止ExecutorService接受新的任务，但会等待所有已提交的任务执行完成。
shutdownNow(): 强制关闭。它会阻止ExecutorService接受新的任务，并尝试停止所有正在执行的任务。它会返回一个List，包含所有尚未开始执行的任务。

方法	功能描述
`shutdown()`	阻止ExecutorService接受新的任务，但会等待所有已提交的任务执行完成。
`shutdownNow()`	阻止ExecutorService接受新的任务，并尝试停止所有正在执行的任务。会返回一个`List`，包含所有尚未开始执行的任务。正在执行的任务可能会被中断，但是否能够成功中断取决于任务的具体实现。如果任务没有处理中断信号，那么它可能会继续执行到完成。

4. 正确关闭ExecutorService的步骤

为了避免资源泄漏和内存上涨，我们需要遵循以下步骤来正确关闭ExecutorService：

调用shutdown()方法: 首先调用shutdown()方法，阻止ExecutorService接受新的任务。
等待任务完成: 调用awaitTermination()方法，等待所有已提交的任务执行完成。这个方法会阻塞直到所有任务完成或者超时。
处理超时: 如果awaitTermination()方法超时，说明有些任务可能无法正常完成（例如死锁、无限循环等）。这时，可以调用shutdownNow()方法来强制关闭ExecutorService，并记录相关日志，方便后续排查问题。

以下是一个正确关闭ExecutorService的示例：

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

public class ExecutorServiceShutdownExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);

        // 提交一些任务
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int taskId = i;
            executor.submit(() -> {
                System.out.println("Executing task " + taskId + " in thread: " + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    Thread.sleep(2000); // 模拟耗时操作
                    if (taskId == 5) {
                        // 模拟一个可能导致程序无法正常结束的任务
                        while(true){
                            Thread.sleep(1000);
                            System.out.println("Task 5 is running indefinitely");
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println("Task " + taskId + " interrupted");
                }
                return null;
            });
        }

        // 关闭线程池
        executor.shutdown();

        try {
            // 等待所有任务完成，最多等待10秒
            if (!executor.awaitTermination(10, TimeUnit.SECONDS)) {
                // 超时，强制关闭线程池
                List<Runnable> droppedTasks = executor.shutdownNow();
                System.err.println("Timeout occurred!  Forcing shutdown. Dropped tasks: " + droppedTasks.size());
                // 可以记录 droppedTasks 信息，以便后续分析
            } else {
                System.out.println("All tasks completed successfully.");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            // 中断异常，强制关闭线程池
            System.err.println("Interrupted exception!");
            executor.shutdownNow();
        }
    }
}

在这个例子中，我们首先调用executor.shutdown()方法来阻止ExecutorService接受新的任务。然后，我们调用executor.awaitTermination(10, TimeUnit.SECONDS)方法，等待所有任务完成，最多等待10秒。如果超时，我们调用executor.shutdownNow()方法来强制关闭ExecutorService，并打印错误信息。如果awaitTermination()方法抛出InterruptedException异常，我们也调用executor.shutdownNow()方法来强制关闭ExecutorService。

5. 常见的错误关闭方式及其后果

以下是一些常见的错误关闭ExecutorService的方式，以及它们可能导致的后果：

忘记关闭: 这是最常见的错误。如果不关闭ExecutorService，线程池中的线程会一直存活，占用资源，导致内存泄漏。
只调用shutdown()，不等待任务完成: 如果只调用shutdown()方法，而不等待任务完成，程序可能会在任务尚未执行完成时就退出，导致数据丢失或程序状态不一致。
只调用shutdownNow()，不处理未完成的任务: 如果只调用shutdownNow()方法，而不处理返回的未完成的任务列表，可能会导致这些任务永远无法执行，造成数据丢失。
在finally块中关闭，但没有处理InterruptedException: 在finally块中关闭ExecutorService是一个好习惯，可以确保ExecutorService总是被关闭。但是，如果awaitTermination()方法抛出InterruptedException异常，而没有被正确处理，可能会导致ExecutorService无法被正常关闭。

6. 如何排查ExecutorService关闭不当导致的内存上涨问题

如果怀疑ExecutorService关闭不当导致了内存上涨，可以采用以下方法进行排查：

使用内存分析工具: 可以使用Java的内存分析工具（例如VisualVM、JProfiler、MAT）来分析堆内存，找出占用内存最多的对象。如果发现大量线程池相关的对象（例如ThreadPoolExecutor、Worker等）无法被回收，那么很可能就是ExecutorService关闭不当导致的。
查看线程dump: 可以使用jstack命令或者VisualVM等工具来查看线程dump，分析线程的状态。如果发现大量线程处于WAITING或TIMED_WAITING状态，并且这些线程都属于同一个线程池，那么很可能就是ExecutorService没有被正确关闭。
添加日志: 在ExecutorService的关闭代码中添加日志，记录ExecutorService的关闭状态、任务的执行情况等，方便分析问题。
代码审查: 仔细审查代码，检查ExecutorService的关闭逻辑是否正确，是否存在忘记关闭、处理超时不当等问题。

7. 使用 try-with-resources 简化ExecutorService管理

从Java 9开始，ExecutorService 接口实现了 AutoCloseable 接口。这意味着我们可以使用 try-with-resources 语句来自动关闭 ExecutorService，从而简化资源管理，避免忘记关闭的问题。

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

public class TryWithResourcesExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        try (ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5)) {
            // 提交一些任务
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                final int taskId = i;
                executor.submit(() -> {
                    System.out.println("Executing task " + taskId + " in thread: " + Thread.currentThread().getName());
                    try {
                        Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.out.println("Task " + taskId + " interrupted");
                    }
                    return null;
                });
            }

            // 不需要显式调用 shutdown()
            // try-with-resources 会自动调用 shutdown() 和 awaitTermination()
            // 并且会处理 InterruptedException
        } catch (Exception e) {
            System.err.println("Exception occurred: " + e.getMessage());
        }
    }
}

在这个例子中，我们使用 try-with-resources 语句来创建 ExecutorService。当 try 块执行完毕后，无论是否发生异常，ExecutorService 都会被自动关闭。

注意事项：

try-with-resources 会隐式调用 shutdown() 方法，并且会等待所有任务完成。
如果等待超时或者发生 InterruptedException，try-with-resources 会抛出异常。你需要在 catch 块中处理这些异常。
尽管 try-with-resources 简化了资源管理，你仍然需要考虑任务的异常处理和取消。

8. 总结：关注ExecutorService生命周期，避免资源泄漏

正确关闭ExecutorService是并发编程中非常重要的一环。我们需要理解shutdown()和shutdownNow()的区别，遵循正确的关闭步骤，处理超时和中断异常，并可以使用try-with-resources语句来简化资源管理。只有这样，才能避免资源泄漏和内存上涨，保证程序的稳定性和可靠性。理解和应用正确的ExecutorService关闭策略，能够有效预防潜在的内存泄漏问题，提高系统健壮性。

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