一个JDK线程池BUG引发的GC机制思考

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问题描述

前几天，在帮同事排查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：

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]

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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

分析&疑问

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：

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）：

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：

执行若干时间后报错：

欢迎大家来到IT世界,在知识的湖畔探索吧!Exception in thread "Thread-1" java.lang.RuntimeException: reject!!![true]

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：

执行结果一样是报错

Exception in thread "Thread-3" java.lang.RuntimeException: reject!!![true]

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

总结

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：