面试突击：如何判断线程池已经执行完所有任务了？

作者 | 磊哥

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来源 | Java面试真题解析(ID：aimianshi666)

转载请联系授权(微信ID：GG_Stone)

很多场景下，我们需要等待线程池的所有任务都执行完，然后再进行下一步操作。对于线程 Thread 来说，很好实现，加一个 join 方法就解决了，然而对于线程池的判断就比较麻烦了。

我们本文提供 4 种判断线程池任务是否执行完的方法：

  1. 使用 isTerminated 方法判断。
  2. 使用 getCompletedTaskCount 方法判断。
  3. 使用 CountDownLatch 判断。
  4. 使用 CyclicBarrier 判断。

接下来我们一个一个来看。

不判断的问题

如果不对线程池是否已经执行完做判断，就会出现以下问题，如下代码所示：

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class ThreadPoolCompleted {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池
        ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(10, 20,
                0, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>(1024));
        // 添加任务
        addTask(threadPool);
    // 打印结果
        System.out.println("线程池任务执行完成！");
    }
    /**
     * 给线程池添加任务
     */
    private static void addTask(ThreadPoolExecutor threadPool) {
        // 任务总数
        final int taskCount = 5;
        // 添加任务
        for (int i = 0; i < taskCount; i++) {
            final int finalI = i;
            threadPool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        // 随机休眠 0-4s
                        int sleepTime = new Random().nextInt(5);
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(sleepTime);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(String.format("任务%d执行完成", finalI));
                }
            });
        }
    }
}

以上程序的执行结果如下：

从上述执行结果可以看出，程序先打印了“线程池任务执行完成!”，然后还在陆续的执行线程池的任务，这种执行顺序混乱的结果，并不是我们期望的结果。我们想要的结果是等所有任务都执行完之后，再打印“线程池任务执行完成!”的信息。

产生以上问题的原因是因为主线程 main，和线程池是并发执行的，所以当线程池还没执行完，main 线程的打印结果代码就已经执行了。想要解决这个问题，就需要在打印结果之前，先判断线程池的任务是否已经全部执行完，如果没有执行完就等待任务执行完再执行打印结果。

方法1：isTerminated

我们可以利用线程池的终止状态(TERMINATED)来判断线程池的任务是否已经全部执行完，但想要线程池的状态发生改变，我们就需要调用线程池的 shutdown 方法，不然线程池一直会处于 RUNNING 运行状态，那就没办法使用终止状态来判断任务是否已经全部执行完了，它的实现代码如下：

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
 * 线程池任务执行完成判断
 */
public class ThreadPoolCompleted {
    public static void main(String[] args) {
        // 1.创建线程池
        ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(10, 20,
                0, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>(1024));
        // 2.添加任务
        addTask(threadPool);
        // 3.判断线程池是否执行完
        isCompleted(threadPool); // 【核心调用方法】
        // 4.线程池执行完
        System.out.println();
        System.out.println("线程池任务执行完成！");
    }
    /**
     * 方法1：isTerminated 实现方式
     * 判断线程池的所有任务是否执行完
     */
    private static void isCompleted(ThreadPoolExecutor threadPool) {
        threadPool.shutdown();
        while (!threadPool.isTerminated()) { // 如果没有执行完就一直循环
        }
    }
    /**
     * 给线程池添加任务
     */
    private static void addTask(ThreadPoolExecutor threadPool) {
        // 任务总数
        final int taskCount = 5;
        // 添加任务
        for (int i = 0; i < taskCount; i++) {
            final int finalI = i;
            threadPool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        // 随机休眠 0-4s
                        int sleepTime = new Random().nextInt(5);
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(sleepTime);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(String.format("任务%d执行完成", finalI));
                }
            });
        }
    }
}

方法说明：shutdown 方法是启动线程池有序关闭的方法，它在完全关闭之前会执行完之前所有已经提交的任务，并且不会再接受任何新任务。当线程池中的所有任务都执行完之后，线程池就进入了终止状态，调用 isTerminated 方法返回的结果就是 true 了。

以上程序的执行结果如下：

缺点分析

需要关闭线程池。

扩展：线程池的所有状态

线程池总共包含以下 5 种状态：

  1. RUNNING：运行状态。
  2. SHUTDOWN：关闭状态。
  3. STOP：阻断状态。
  4. TIDYING：整理状态。
  5. TERMINATED：终止状态。

如果不调用线程池的关闭方法，那么线程池会一直处于 RUNNING 运行状态。

方法2：getCompletedTaskCount

我们可以通过判断线程池中的计划执行任务数和已完成任务数，来判断线程池是否已经全部执行完，如果计划执行任务数=已完成任务数，那么线程池的任务就全部执行完了，否则就未执行完，具体实现代码如下：

/**
 * 方法2：getCompletedTaskCount 实现方式
 * 判断线程池的所有任务是否执行完
 */
private static void isCompletedByTaskCount(ThreadPoolExecutor threadPool) {
    while (threadPool.getTaskCount() != threadPool.getCompletedTaskCount()) {
    }
}

以上程序执行结果如下：

方法说明

  • getTaskCount()：返回计划执行的任务总数。由于任务和线程的状态可能在计算过程中动态变化，因此返回的值只是一个近似值。
  • getCompletedTaskCount()：返回完成执行任务的总数。因为任务和线程的状态可能在计算过程中动态地改变，所以返回的值只是一个近似值，但是在连续的调用中并不会减少。

优缺点分析

此实现方法的优点是无需关闭线程池。它的缺点是 getTaskCount() 和 getCompletedTaskCount() 返回的是一个近似值，因为线程池中的任务和线程的状态可能在计算过程中动态变化，所以它们两个返回的都是一个近似值。

方法3：CountDownLatch

CountDownLatch 可以理解为一个计数器，我们创建了一个包含 N 个任务的计数器，每个任务执行完计数器 -1，直到计数器减为 0 时，说明所有的任务都执行完了，就可以执行下一段业务的代码了，它的实现流程如下图所示：

具体实现代码如下： 

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // 创建线程池
    ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(10, 20,
     0, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>(1024));
    final int taskCount = 5;    // 任务总数
    // 单次计数器
    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(taskCount); // ①
    // 添加任务
    for (int i = 0; i < taskCount; i++) {
        final int finalI = i;
        threadPool.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    // 随机休眠 0-4s
                    int sleepTime = new Random().nextInt(5);
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(sleepTime);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(String.format("任务%d执行完成", finalI));
                // 线程执行完，计数器 -1
                countDownLatch.countDown();  // ②
            }
        });
    }
    // 阻塞等待线程池任务执行完
    countDownLatch.await();  // ③
    // 线程池执行完
    System.out.println();
    System.out.println("线程池任务执行完成！");

代码说明：以上代码中标识为 ①、②、③ 的代码行是核心实现代码，其中：① 是声明一个包含了 5 个任务的计数器;② 是每个任务执行完之后计数器 -1;③ 是阻塞等待计数器 CountDownLatch 减为 0，表示任务都执行完了，可以执行 await 方法后面的业务代码了。

以上程序的执行结果如下：

优缺点分析

CountDownLatch 写法很优雅，且无需关闭线程池，但它的缺点是只能使用一次，CountDownLatch 创建之后不能被重复使用，也就是说 CountDownLatch 可以理解为只能使用一次的计数器。

方法4：CyclicBarrier

CyclicBarrier 和 CountDownLatch 类似，它可以理解为一个可以重复使用的循环计数器，CyclicBarrier 可以调用 reset 方法将自己重置到初始状态，CyclicBarrier 具体实现代码如下：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // 创建线程池
    ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(10, 20,
     0, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>(1024));
    final int taskCount = 5;    // 任务总数
    // 循环计数器 ①
    CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(taskCount, new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            // 线程池执行完
            System.out.println();
            System.out.println("线程池所有任务已执行完！");
        }
    });
    // 添加任务
    for (int i = 0; i < taskCount; i++) {
        final int finalI = i;
        threadPool.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    // 随机休眠 0-4s
                    int sleepTime = new Random().nextInt(5);
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(sleepTime);
                    System.out.println(String.format("任务%d执行完成", finalI));
                    // 线程执行完
                    cyclicBarrier.await(); // ②
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
    }
}

以上程序的执行结果如下：

方法说明

CyclicBarrier 有 3 个重要的方法：

构造方法：构造方法可以传递两个参数，参数 1 是计数器的数量 parties，参数 2 是计数器为 0 时，也就是任务都执行完之后可以执行的事件(方法)。

await 方法：在 CyclicBarrier 上进行阻塞等待，当调用此方法时 CyclicBarrier 的内部计数器会 -1，直到发生以下情形之一：

  • 在 CyclicBarrier 上等待的线程数量达到 parties，也就是计数器的声明数量时，则所有线程被释放，继续执行。
  • 当前线程被中断，则抛出 InterruptedException 异常，并停止等待，继续执行。
  • 其他等待的线程被中断，则当前线程抛出 BrokenBarrierException 异常，并停止等待，继续执行。
  • 其他等待的线程超时，则当前线程抛出 BrokenBarrierException 异常，并停止等待，继续执行。
  • 其他线程调用 CyclicBarrier.reset() 方法，则当前线程抛出 BrokenBarrierException 异常，并停止等待，继续执行。

reset 方法：使得CyclicBarrier回归初始状态，直观来看它做了两件事：

如果有正在等待的线程，则会抛出 BrokenBarrierException 异常，且这些线程停止等待，继续执行。

将是否破损标志位 broken 置为 false。

优缺点分析

CyclicBarrier 从设计的复杂度到使用的复杂度都高于 CountDownLatch，相比于 CountDownLatch 来说它的优点是可以重复使用(只需调用 reset 就能恢复到初始状态)，缺点是使用难度较高。

总结

我们本文提供 4 种判断线程池任务是否执行完的方法：

  1. 使用 isTerminated 方法判断：通过判断线程池的完成状态来实现，需要关闭线程池，一般情况下不建议使用。
  2. 使用 getCompletedTaskCount 方法判断：通过计划执行总任务量和已经完成总任务量，来判断线程池的任务是否已经全部执行，如果相等则判定为全部执行完成。但因为线程个体和状态都会发生改变，所以得到的是一个大致的值，可能不准确。
  3. 使用 CountDownLatch 判断：相当于一个线程安全的单次计数器，使用比较简单，且不需要关闭线程池，是比较常用的判断方法。
  4. 使用 CyclicBarrier 判断：相当于一个线程安全的重复计数器，但使用较为复杂，所以日常项目中使用的较少。

新闻标题：面试突击：如何判断线程池已经执行完所有任务了？
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