故障现场 | 这个死锁出奇的诡异_Java教程

1. 问题&分析

线程池用多了总会出现些诡异问题，特别是当任务间的关系比较复杂时，经常会出现让你想象不到问题，比如这次出现的这个问题。

1.1. 案例

突然间，系统出现大量报警，具体信息如下：

故障现场 | 这个死锁出奇的诡异图片

从抛出的异常可知，提交量较大导致线程池资源被耗尽，从而触发了线程池的拒绝策略，直接抛出了 RejectedExecutionException。

开始的时候，小艾认为等高峰流量过去后，系统便能恢复正常。可出乎意料的是，系统一直没有恢复，那么流量已经将至个位数，请求也是 100% 失败，同时该节点的大量后台任务都出现异常。没有办法，为了快速止损，不得已对异常节点进行重启，系统随之恢复正常，日志输入如下：

故障现场 | 这个死锁出奇的诡异图片

其他的后台任务也恢复正常。

惊魂初定的小艾找到出问题的代码如下：

@GetMapping("syncSubmit")
public RestResult<String> syncSubmit(String taskName){
    this.executeService.submit(new ParentTask());
    return RestResult.success("提交成功");
}

class ParentTask implements Callable<Boolean>{

    @Override
    public Boolean call() throws Exception {
        Future<A> aFuture = executeService.submit(new FetchAChildTask());
        doSomeThing(500);
        Future<B> bFuture = executeService.submit(new FetchBChildTask());
        doSomeThing(500);
        C c = buildC(aFuture.get(), bFuture.get());
        Future<Boolean> cFuture = executeService.submit(new SaveCChildTask(c));
        return cFuture.get();
    }
}

代码的逻辑非常简单，核心流程如下图所示：

故障现场 | 这个死锁出奇的诡异图片

核心流程为：

提交异步任务，并行获取 A 和 B
线程同步处理一下耗时操作
获取 A 和 B 结果后，构建新对象 C
将 C 保存到数据库

逻辑非常简单，唯一的复杂点在于：==多处任务提交使用了统一线程池。==

【背景】考虑到线程池是系统中最宝贵的资源，公司“大牛”封装了一个全局的 GlobalExecuteService 服务，并制定规范要求所有异步任务统一使用 GlobalExecuteService 来完成。如果需要构建自己的线程池，需要向他提交审批，只有在审批后才能创建新的线程池。

1.2. 问题分析

线程池处于什么状态？为什么所有异步任务都无法提交？

这是一个比较烧脑的问题，单盘逻辑没有什么头绪，没有办法只能将现场 dump 下来进行分析。

第一个问题：线程池线程都处于什么状态，线程栈信息如下：

故障现场 | 这个死锁出奇的诡异图片

从日志中可知：

线程池中的线程全部处于 WAITING，也就是等待状态；
展开 Thread-1 栈信息，发现线程再调用 future.get 操作时出现阻塞
实际等待对象为 FutrueTask#10

接下来，需要进一步确认 FutureTask#10 具体处于什么状态，从内存堆中找到 FutureTask#10 对象，详细信息如下：

故障现场 | 这个死锁出奇的诡异图片

从日志中可以看出：

FutureTask#10 是 LinkedBlockingQueue 的 Node 节点持有，也就是 FutureTask#10 处于等待队列中
该阻塞队列属于 GlobalExecuteService 所有

排查到这里，真相浮出水面：GlobalExecuteService 中的线程，正在等待 GlobalExecuteService 阻塞队列的任务完成。

具体如下图所示：

故障现场 | 这个死锁出奇的诡异图片

线程池中的所有工作线程都在等待阻塞队列的任务完成，由于没有可用的工作线程，阻塞队列中的任务永远都不会被执行。

这就是典型的死锁！！！

2. 解决方案

费了老大劲终于定位问题，解决思路也就变的明了：不要向自己运行的线程池提交任务。

图解如下：

故障现场 | 这个死锁出奇的诡异图片

线程池不会向自己提交任务，而是将任务提交到其他线程池。

2.1. 手工拆分线程池

问题修复变的简单，我们需要：

先建一个子线程池服务
父线程池向子线程池提交任务

具体代码如下：

@Autowired
private GlobalExecuteService executeService;

// 创建新的线程池服务
@Autowired
private SubExecuteService subExecuteService;

@GetMapping("syncSubmit")
public RestResult<String> syncSubmit(String taskName){
    this.executeService.submit(new ParentTask());
    return RestResult.success("提交成功");
}

class ParentTask implements Callable<Boolean>{

    @Override
    public Boolean call() throws Exception {
        log.info("Begin to Run Parent Task");

        // 向新的线程池服务提交任务
        Future<A> aFuture = subExecuteService.submit(new FetchAChildTask());
        doSomeThing(500);

        // 向新的线程池服务提交任务
        Future<B> bFuture = subExecuteService.submit(new FetchBChildTask());
        doSomeThing(500);
        C c = buildC(aFuture.get(), bFuture.get());

        // 向新的线程池服务提交任务
        Future<Boolean> cFuture = subExecuteService.submit(new SaveCChildTask(c));
        Boolean result = cFuture.get();
        log.info("End to Run Parent Task");
        return result;
    }
}

2.2. 多级任务管理

手工拆分线程池确实能解决这个场景的问题，但由于 GlobalExecuteService 服务已经使用很长时间，任务间的关系错综复杂，很难一次性排查并修复所有问题，同时随着逻辑的变化未来仍旧会出现类似的问题。

那最佳方案是什么？

让 GlobalExecuteService 具备多级管理能力。核心代码如下：

@Service
public class GlobalExecuteServiceV2 {
    // 记录当前线程运行级别，默认 0，表示当前线程非该类管理的线程池线程
    private static final ThreadLocal<Integer> LEVEL_HOLDER = ThreadLocal.withInitial(()->0);
    // 一级线程池
    private ExecutorService executorServiceLeve1;
    // 二级线程池
    private ExecutorService executorServiceLeve2;
    // 默认线程池
    private ExecutorService defExecutorService;

    @PostConstruct
    public void init() {
       // 省略线程池初始化逻辑
    }

    public <T> Future<T> submit(Callable<T> callable){
        // 获取当前线程的运行级别
        Integer level = LEVEL_HOLDER.get();
        // 根据当前运行级别，计算子任务所使用的线程池
        ExecutorService executorService = getNextExecutorServiceByLevel(level);
        // 为子任务分配运行级别
        CallableWrapper<T> callableWrapper = new CallableWrapper<>(level + 1, callable);
        // 提交任务
        return executorService.submit(callableWrapper);
    }

    private ExecutorService getNextExecutorServiceByLevel(Integer level) {
        if (level == 0){
            return executorServiceLeve1;
        }
        if (level == 1){
            return executorServiceLeve2;
        }
        return defExecutorService;
    }

    class CallableWrapper<T> implements Callable<T>{
        private final Integer level;
        private final Callable<T> callable;

        CallableWrapper(Integer level, Callable<T> callable) {
            this.level = level;
            this.callable = callable;
        }

        @Override
        public T call() throws Exception {
            try {
                // 为线程池绑定运行级别
                LEVEL_HOLDER.set(level);
                return callable.call();
            }finally {
                // 清理线程池运行级别
                LEVEL_HOLDER.remove();
            }
        }
    }
}

核心设计如下：

使用 ThreadLocal<Integer> LEVEL_HOLDER 记录当前线程运行的级别，默认为 0 表示任务未在线程池中运行
提交任务时，通过当前运行级别计算下一级别的线程池

当前级别为0，返回 Level1 线程池
当前级别为1，返回 Level2 线程池
其他基本，返回默认线程池

通过 CallableWrapper 自动将任务运行的 Level 绑定到当前线程上下文
任务执行前，使用 LEVEL_HOLDER.set(level) 完成运行 level 的设置
任务执行后，使用 LEVEL_HOLDER.remove() 完成运行 level 的清理

为了演示方便，仅定义了 3 级线程池，通常情况下足够业务使用，但需要注意：

超过三级提交，仍旧有可以出现死锁的情况，可以通过日志方式及时暴露问题

如不放心，可以升级为 “无限极” 设计，及使用 List<ExecutorService> 对线程池进行统一管理，并根据 Level 完成线程池的动态创建