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一个JDK线程池BUG引发的GC机制思考

程序员

前几天在帮同事排查生产一个线上偶发的线程池错误
逻辑很简单,线程池执行了一个带结果的异步任务。但是最近有偶发的报错:
本文中的模拟代码已经问题都是在HotSpot java8 (1.8.0_221)版本下模拟&出现的
下面是模拟代码,通过Executors.newSingleThreadExecutor创建一个单线程的线程池,然后在调用方获取Future的结果
一个JDK线程池BUG引发的GC机制思考

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一个JDK线程池BUG引发的GC机制思考
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一个JDK线程池BUG引发的GC机制思考
第一个思考的问题是:线程池为什么关闭了,代码中并没有手动关闭的地方。看一下Executors.newSingleThreadExecotor的源码实现:
一个JDK线程池BUG引发的GC机制思考

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这里创建的实际上是一个FinalizableDelegatedExecutorService,这个包装类重写了finalize函数,也就是说这个类会在被GC回收之前,先执行线程池的shutdown方法。
问题来了,GC只会回收不可达(unreachable)的对象,在submit函数的栈帧未执行完出栈之前,executorService应该是可达的才对。
对于此问题,先抛出结论:
当对象仍存在于作用域(stack frame)时,finalize也可能会被执行
oracle jdk文档中有一段关于finalize的介绍:
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:可达对象(reachable object)是可以从任何活动线程的任何潜在的持续访问中的任何对象;java编译器或代码生成器可能会对不再访问的对象提前置为null,使得对象可以被提前回收
也就是说,在jvm的优化下,可能会出现对象不可达之后被提前置空并回收的情况
举个例子来验证一下(摘自https://stackoverflow.com/questions/24376768/can-java-finalize-an-object-when-it-is-still-in-scope):
一个JDK线程池BUG引发的GC机制思考

一个JDK线程池BUG引发的GC机制思考
从例子中可以看到,如果a在循环完成后已经不再使用了,则会出现先执行finalize的情况;虽然从对象作用域来说,方法没有执行完,栈帧并没有出栈,但是还是会被提前执行。
现在来增加一行代码,在最后一行打印对象a,让编译器/代码生成器认为后面有对象a的引用
从结果上看,finalize方法都没有执行(因为main方法执行完成后进程直接结束了),更不会出现提前finalize的问题了
基于上面的测试结果,再测试一种情况,在循环之前先将对象a置为null,并且在最后打印保持对象a的引用
从结果上看,手动置null的话也会导致对象被提前回收,虽然在最后还有引用,但此时引用的也是null了
现在再回到上面的线程池问题,根据上面介绍的机制,在分析没有引用之后,对象会被提前finalize
可在上述代码中,return之前明明是有引用的executorService.execute(futureTask),为什么也会提前finalize呢?
猜测可能是由于在execute方法中,会调用threadPoolExecutor,会创建并启动一个新线程,这时会发生一次主动的线程切换,导致在活动线程中对象不可达
结合上面Oracle Jdk文档中的描述“可达对象(reachable object)是可以从任何活动线程的任何潜在的持续访问中的任何对象”,可以认为可能是因为一次显示的线程切换,对象被认为不可达了,导致线程池被提前finalize了
下面来验证一下猜想:
一个JDK线程池BUG引发的GC机制思考

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执行若干时间后报错:
从错误上来看,“线程池”同样被提前shutdown了,那么一定是由于新建线程导致的吗?
下面将新建线程修改为Thread.sleep测试一下:
一个JDK线程池BUG引发的GC机制思考

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执行结果一样是报错
由此可得,如果在执行的过程中,发生一次显式的线程切换,则会让编译器/代码生成器认为外层包装对象不可达
虽然GC只会回收不可达GC ROOT的对象,但是在编译器(没有明确指出,也可能是JIT)/代码生成器的优化下,可能会出现对象提前置null,或者线程切换导致的“提前对象不可达”的情况。
所以如果想在finalize方法里做些事情的话,一定在最后显示的引用一下对象(toString/hashcode都可以),保持对象的可达性(reachable)
上面关于线程切换导致的对象不可达,没有官方文献的支持,只是个人一个测试结果,如有问题欢迎指出
综上所述,这种回收机制并不是JDK的bug,而算是一个优化策略,提前回收而已;但Executors.newSingleThreadExecutor的实现里通过finalize来自动关闭线程池的做法是有Bug的,在经过优化后可能会导致线程池的提前shutdown,从而导致异常。
线程池的这个问题,在JDK的论坛里也是一个公开但未解决状态的问题https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8145304。
不过在JDK11下,该问题已经被修复:

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