【廖雪峰官方网站/Java教程】多线程（3）
1.使用线程池
1.1.ExecutorService介绍
Java语言虽然内置了多线程支持，启动一个新线程非常方便，但是，创建线程需要操作系统资源（线程资源，栈空间等），频繁创建和销毁大量线程需要消耗大量时间。
如果可以复用一组线程：
那么我们就可以把很多小任务让一组线程来执行，而不是一个任务对应一个新线程。这种能接收大量小任务并进行分发处理的就是线程池。
Java标准库提供了ExecutorService接口表示线程池，它的典型用法如下：
// 创建固定大小的线程池:
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 提交任务:
executor.submit(task1);
executor.submit(task2);
executor.submit(task3);
executor.submit(task4);
executor.submit(task5);
因为ExecutorService只是接口，Java标准库提供的几个常用实现类有：
- FixedThreadPool：线程数固定的线程池；
- CachedThreadPool：线程数根据任务动态调整的线程池；
- SingleThreadExecutor：仅单线程执行的线程池。
创建这些线程池的方法都被封装到Executors这个类中。我们以FixedThreadPool为例，看看线程池的执行逻辑：
// thread pool
import java.util.concurrent.*;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个固定大小的线程池:
ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(4);
for (int i = 0; i < 6; i++) {
es.submit(new Task("" + i));
}
// 关闭线程池:
es.shutdown();
}
}
class Task implements Runnable {
private final String name;
public Task(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public void run() {
System.out.println("start task " + name);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
}
System.out.println("end task " + name);
}
}
我们观察执行结果，一次性放入6个任务，由于线程池只有固定的4个线程，因此，前4个任务会同时执行，等到有线程空闲后，才会执行后面的两个任务。
线程池在程序结束的时候要关闭。使用shutdown()方法关闭线程池的时候，它会等待正在执行的任务先完成，然后再关闭。shutdownNow()会立刻停止正在执行的任务，awaitTermination()则会等待指定的时间让线程池关闭。
如果我们把线程池改为CachedThreadPool，由于这个线程池的实现会根据任务数量动态调整线程池的大小，所以6个任务可一次性全部同时执行。
如果我们想把线程池的大小限制在4～10个之间动态调整怎么办？我们查看Executors.newCachedThreadPool()方法的源码：
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
因此，想创建指定动态范围的线程池，可以这么写：
int min = 4;
int max = 10;
ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(min, max,
60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>());
1.2.ScheduledThreadPool
还有一种任务，需要定期反复执行，例如，每秒刷新证券价格。这种任务本身固定，需要反复执行的，可以使用ScheduledThreadPool。放入ScheduledThreadPool的任务可以定期反复执行。
创建一个ScheduledThreadPool仍然是通过Executors类：
ScheduledExecutorService ses = Executors.newScheduledThreadPool(4);
我们可以提交一次性任务，它会在指定延迟后只执行一次：
// 1秒后执行一次性任务:
ses.schedule(new Task("one-time"), 1, TimeUnit.SECONDS);
如果任务以固定的每3秒执行，我们可以这样写：
// 2秒后开始执行定时任务，每3秒执行:
ses.scheduleAtFixedRate(new Task("fixed-rate"), 2, 3, TimeUnit.SECONDS);
如果任务以固定的3秒为间隔执行，我们可以这样写：
// 2秒后开始执行定时任务，以3秒为间隔执行:
ses.scheduleWithFixedDelay(new Task("fixed-delay"), 2, 3, TimeUnit.SECONDS);
注意FixedRate和FixedDelay的区别。FixedRate是指任务总是以固定时间间隔触发，不管任务执行多长时间：
而FixedDelay是指，上一次任务执行完毕后，等待固定的时间间隔，再执行下一次任务：
因此，使用ScheduledThreadPool时，我们要根据需要选择执行一次、FixedRate执行还是FixedDelay执行。
Java标准库还提供了一个java.util.Timer类，这个类也可以定期执行任务，但是，一个Timer会对应一个Thread，所以，一个Timer只能定期执行一个任务，多个定时任务必须启动多个Timer，而一个ScheduledThreadPool就可以调度多个定时任务，所以，我们完全可以用ScheduledThreadPool取代旧的Timer。
1.3.小结
JDK提供了ExecutorService实现了线程池功能：
- 线程池内部维护一组线程，可以高效执行大量小任务；
- Executors提供了静态方法创建不同类型的ExecutorService；
- 必须调用shutdown()关闭ExecutorService；
- ScheduledThreadPool可以定期调度多个任务。
2.使用Future
2.1.Runnable和Callable接口介绍
在执行多个任务的时候，使用Java标准库提供的线程池是非常方便的。我们提交的任务只需要实现Runnable接口，就可以让线程池去执行：
class Task implements Runnable {
public String result;
public void run() {
this.result = longTimeCalculation();
}
}
Runnable接口有个问题，它的方法没有返回值。如果任务需要一个返回结果，那么只能保存到变量，还要提供额外的方法读取，非常不便。所以，Java标准库还提供了一个Callable接口，和Runnable接口比，它多了一个返回值：
class Task implements Callable<String> {
public String call() throws Exception {
return longTimeCalculation();
}
}
并且Callable接口是一个泛型接口，可以返回指定类型的结果。
现在的问题是，如何获得异步执行的结果？
如果仔细看ExecutorService.submit()方法，可以看到，它返回了一个Future类型，一个Future类型的实例代表一个未来能获取结果的对象：
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
// 定义任务:
Callable<String> task = new Task();
// 提交任务并获得Future:
Future<String> future = executor.submit(task);
// 从Future获取异步执行返回的结果:
String result = future.get(); // 可能阻塞
当我们提交一个Callable任务后，我们会同时获得一个Future对象，然后，我们在主线程某个时刻调用Future对象的get()方法，就可以获得异步执行的结果。在调用get()时，如果异步任务已经完成，我们就直接获得结果。如果异步任务还没有完成，那么get()会阻塞，直到任务完成后才返回结果。
一个Future
- get()：获取结果（可能会等待）
- get(long timeout, TimeUnit unit)：获取结果，但只等待指定的时间；
- cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：取消当前任务；
- isDone()：判断任务是否已完成。
2.2.小结
- 对线程池提交一个Callable任务，可以获得一个Future对象；
- 可以用Future在将来某个时刻获取结果。
3.使用CompletableFuture【待理解】
3.1.CompletableFuture接口介绍示例
使用Future获得异步执行结果时，要么调用阻塞方法get()，要么轮询看isDone()是否为true，这两种方法都不是很好，因为主线程也会被迫等待。
从Java 8开始引入了CompletableFuture，它针对Future做了改进，可以传入回调对象，当异步任务完成或者发生异常时，自动调用回调对象的回调方法。
我们以获取股票价格为例，看看如何使用CompletableFuture：
// CompletableFuture
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
public class Main {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 创建异步执行任务:
CompletableFuture<Double> cf = CompletableFuture.supplyAsync(Main::fetchPrice);
// 如果执行成功:
cf.thenAccept((result) -> {
System.out.println("price: " + result);
});
// 如果执行异常:
cf.exceptionally((e) -> {
e.printStackTrace();
return null;
});
// 主线程不要立刻结束，否则CompletableFuture默认使用的线程池会立刻关闭:
Thread.sleep(200);
}
static Double fetchPrice() {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
}
if (Math.random() < 0.3) {
throw new RuntimeException("fetch price failed!");
}
return 5 + Math.random() * 20;
}
}
创建一个CompletableFuture是通过CompletableFuture.supplyAsync()实现的，它需要一个实现了Supplier接口的对象：
public interface Supplier<T> {
T get();
}
这里我们用lambda语法简化了一下，直接传入Main::fetchPrice，因为Main.fetchPrice()静态方法的签名符合Supplier接口的定义（除了方法名外）。
紧接着，CompletableFuture已经被提交给默认的线程池执行了，我们需要定义的是CompletableFuture完成时和异常时需要回调的实例。完成时，CompletableFuture会调用Consumer对象：
public interface Consumer<T> {
void accept(T t);
}
异常时，CompletableFuture会调用Function对象：
public interface Function<T, R> {
R apply(T t);
}
这里我们都用lambda语法简化了代码。
可见CompletableFuture的优点是：
- 异步任务结束时，会自动回调某个对象的方法；
- 异步任务出错时，会自动回调某个对象的方法；
- 主线程设置好回调后，不再关心异步任务的执行。
3.2.多个CompletableFuture串行执行
如果只是实现了异步回调机制，我们还看不出CompletableFuture相比Future的优势。CompletableFuture更强大的功能是，多个CompletableFuture可以串行执行，例如，定义两个CompletableFuture，第一个CompletableFuture根据证券名称查询证券代码，第二个CompletableFuture根据证券代码查询证券价格，这两个CompletableFuture实现串行操作如下：
// CompletableFuture
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
public class Main {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 第一个任务:
CompletableFuture<String> cfQuery = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
return queryCode("中国石油");
});
// cfQuery成功后继续执行下一个任务:
CompletableFuture<Double> cfFetch = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
return fetchPrice(code);
});
// cfFetch成功后打印结果:
cfFetch.thenAccept((result) -> {
System.out.println("price: " + result);
});
// 主线程不要立刻结束，否则CompletableFuture默认使用的线程池会立刻关闭:
Thread.sleep(2000);
}
static String queryCode(String name) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
}
return "601857";
}
static Double fetchPrice(String code) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
}
return 5 + Math.random() * 20;
}
}
3.3.多个CompletableFuture并行执行
例如，我们考虑这样的场景：同时从新浪和网易查询证券代码，只要任意一个返回结果，就进行下一步查询价格，查询价格也同时从新浪和网易查询，只要任意一个返回结果，就完成操作：
// CompletableFuture
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
public class Main {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 两个CompletableFuture执行异步查询:
CompletableFuture<String> cfQueryFromSina = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
return queryCode("中国石油", "https://finance.sina.com.cn/code/");
});
CompletableFuture<String> cfQueryFrom163 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
return queryCode("中国石油", "https://money.163.com/code/");
});
// 用anyOf合并为一个新的CompletableFuture:
CompletableFuture<Object> cfQuery = CompletableFuture.anyOf(cfQueryFromSina, cfQueryFrom163);
// 两个CompletableFuture执行异步查询:
CompletableFuture<Double> cfFetchFromSina = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
return fetchPrice((String) code, "https://finance.sina.com.cn/price/");
});
CompletableFuture<Double> cfFetchFrom163 = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
return fetchPrice((String) code, "https://money.163.com/price/");
});
// 用anyOf合并为一个新的CompletableFuture:
CompletableFuture<Object> cfFetch = CompletableFuture.anyOf(cfFetchFromSina, cfFetchFrom163);
// 最终结果:
cfFetch.thenAccept((result) -> {
System.out.println("price: " + result);
});
// 主线程不要立刻结束，否则CompletableFuture默认使用的线程池会立刻关闭:
Thread.sleep(200);
}
static String queryCode(String name, String url) {
System.out.println("query code from " + url + "...");
try {
Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
} catch (InterruptedException e) {
}
return "601857";
}
static Double fetchPrice(String code, String url) {
System.out.println("query price from " + url + "...");
try {
Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
} catch (InterruptedException e) {
}
return 5 + Math.random() * 20;
}
}
上述逻辑实现的异步查询规则实际上是：
除了anyOf()可以实现“任意个CompletableFuture只要一个成功”，allOf()可以实现“所有CompletableFuture都必须成功”，这些组合操作可以实现非常复杂的异步流程控制。
最后我们注意CompletableFuture的命名规则：
- xxx()：表示该方法将继续在已有的线程中执行；
- xxxAsync()：表示将异步在线程池中执行。
3.4.小结
CompletableFuture可以指定异步处理流程：
- thenAccept()处理正常结果；
- exceptional()处理异常结果；
- thenApplyAsync()用于串行化另一个CompletableFuture；
- anyOf()和allOf()用于并行化多个CompletableFuture。
4.使用ForkJoin
Java 7开始引入了一种新的Fork/Join线程池，它可以执行一种特殊的任务：把一个大任务拆成多个小任务并行执行。
- Fork/Join是一种基于“分治”的算法：通过分解任务，并行执行，最后合并结果得到最终结果。
- ForkJoinPool线程池可以把一个大任务分拆成小任务并行执行，任务类必须继承自RecursiveTask或RecursiveAction。
- 使用Fork/Join模式可以进行并行计算以提高效率。
在此不做详细展示，链接：https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1306581226487842
5.使用ThreadLocal
- ThreadLocal表示线程的“局部变量”，它确保每个线程的ThreadLocal变量都是各自独立的；
- ThreadLocal适合在一个线程的处理流程中保持上下文（避免了同一参数在所有方法中传递）；
- 使用ThreadLocal要用try … finally结构，并在finally中清除。
详细链接：https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1306581251653666