Executor框架

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Java并发编程的艺术笔记

• 并发编程的挑战
• Java并发机制的底层实现原理
• Java内存模型
• Java并发编程基础
• Java中的锁的使用和实现介绍
• Java并发容器和框架
• Java中的12个原子操作类介绍
• Java中的并发工具类
• Java中的线程池
• Executor框架

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前言

在Java中，使用线程来异步执行任务。
Java线程的创建与销毁需要一定的开销，如果我们为每一个任务创建一个新线程来执行，这些线程的创建与销毁将消耗大量的计算资源。
同时，为每一个任务创建一个新线程来执行，这种策略可能会使处于高负荷状态的应用最终崩溃。

Java的线程既是工作单元，也是执行机制。

从 JDK 5 开始，把 工作单元 与 执行机制 分离开来。

• 工作单元 :
  • Runnable
  • Callable
• 执行机制：
  • Executor框架

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Executor框架简介

Executor框架的两级调度模型

在HotSpot VM的线程模型中，Java线程（java.lang.Thread）被 一对一映射为本地操作系统线程。Java线程启动时会创建一个本地操作系统线程；当该Java线程终止时，这个操作系统线程也会被回收。
操作系统会调度所有线程并将它们分配给可用的CPU。
在上层，Java多线程程序通常把应用分解为若干个任务，然后使用用户级的调度器（Executor框架）将这些任务映射为固定数量的线程；在底层，操作系统内核将这些线程映射到硬件处理器上。这种两级调度模型的示意图下面有介绍。
从下图中可以看出，应用程序通过Executor框架控制上层的调度；而下层的调度由操作系统内核控制，下层的调度不受应用程序的控制。

Executor框架的结构与成员

Executor框架的两级调度模型

Executor框架的结构

• 任务。包括被执行任务需要实现的接口：Runnable接口 或 Callable接口。
• 任务的执行。包括任务执行机制的核心接口Executor，以及继承自Executor的ExecutorService接口。Executor框架有两个关键类实现了ExecutorService接口（ThreadPoolExecutor 和 ScheduledThreadPoolExecutor）。
• 异步计算的结果。包括接口Future和实现Future接口的FutureTask类。

• Executor框架包含的主要的类与接口如下图所示：
  

  

  Executor框架的类与接口

  下面是这些类和接口的简介：

  • Executor是一个接口，它是Executor框架的基础，它将任务的提交与任务的执行分离开来。
  • ThreadPoolExecutor 是线程池的核心实现类，用来执行被提交的任务。
  • ScheduledThreadPoolExecutor 是一个实现类，可以在给定的延迟后运行命令，或者定期执行命令。ScheduledThreadPoolExecutor比Timer更灵活，功能更强大。
  • Future接口和实现Future接口的FutureTask类，代表异步计算的结果。
  • Runnable接口和Callable接口的实现类，都可以被ThreadPoolExecutor 或ScheduledThreadPoolExecutor执行。

Executor`框架的使用示意图如下：

Executor框架的使用示意图

主线程首先要创建实现Runnable或者Callable接口的任务对象。
工具类Executors可以通过以下两个方法把一个Runnable对象封装为一个Callable对象：

• Executors.callable(Runnable task)
• Executors.callable(Runnable task, Object resule)。

然后可以把Runnable对象直接交给ExecutorService执行ExecutorService.execute(Runnable command)；或者也可以把Runnable对象或Callable对象提交给ExecutorService 执行 ExecutorService.submit(Runnable task) 或 ExecutorService.submit(Callabletask)。

如果执行ExecutorService.submit(…)，ExecutorService 将返回一个实现 Future 接口的对象（到目前为止的JDK中，返回的是FutureTask对象）。由于FutureTask实现了Runnable，程序员也可以创建FutureTask，然后直接交给ExecutorService执行。

最后，主线程可以执行 FutureTask.get() 方法来等待任务执行完成。主线程也可以执行
FutureTask.cancel(boolean mayInterruptIfRunning)来取消此任务的执行。

Executor框架的成员

这里将介绍Executor框架的主要成员：

• ThreadPoolExecutor
• ScheduledThreadPoolExecutor
• Future接口
• Runnable接口
• Callable接口
• Executors

ThreadPoolExecutor

通常使用工厂类Executors来创建。Executors可以创建3种类型的ThreadPoolExecutor：

• SingleThreadExecutor：适用于需要保证顺序地执行各个任务；并且在任意时间点，不会有多个线程是活动的应用场景。
  下面是Executors提供的，创建使用单个线程的SingleThreadExecutor的API。

  public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
      return new Executors.FinalizableDelegatedExecutorService(
              new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue())
      );
  }
  public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory var0) {
      return new Executors.FinalizableDelegatedExecutorService(
              new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue(), var0)
      );
  }
  

• FixedThreadPool：适用于为了满足资源管理的需求，而需要限制当前线程数量的应用场景，它适用于负载比较重的服务器。
  下面是Executors提供的，创建使用固定线程数的FixedThreadPool的API：

  public static ExecutorService newFixedThreadPool(int var0) {
      return new ThreadPoolExecutor(var0, var0, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue());
  }
  public static ExecutorService newFixedThreadPool(int var0, ThreadFactory var1) {
      return new ThreadPoolExecutor(var0, var0, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue(), var1);
  }
  

• CachedThreadPool：是大小无界的线程池，适用于执行很多的短期异步任务的小程序，或者是负载较轻的服务器。
  下面是Executors提供的，创建一个会根据需要创建新线程的CachedThreadPool的API。

  public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
      return new ThreadPoolExecutor(0, 2147483647, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue());
  }
  public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory var0) {
      return new ThreadPoolExecutor(0, 2147483647, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue(), var0);
  }
  

• ScheduledThreadPoolExecutor
ScheduledThreadPoolExecutor通常使用工厂类Executors来创建。
  Executors可以创建2种类型的ScheduledThreadPoolExecutor，如下:

  • ScheduledThreadPoolExecutor。包含若干个线程的ScheduledThreadPoolExecutor。
    适用于需要多个后台线程执行周期任务，同时为了满足资源管理的需求而需要限制后台线程的数量的应用场景。
    下面是工厂类Executors提供的，创建 固定个数 线程的ScheduledThreadPoolExecutor的API。

    public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int var0) {
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(var0);
    }
    public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int var0, ThreadFactory var1) {
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(var0, var1);
    }
    

  • SingleThreadScheduledExecutor。只包含一个线程的ScheduledThreadPoolExecutor。
    适用于需要单个后台线程执行周期任务，同时需要保证顺序地执行各个任务的应用场景。
    下面是Executors提供的，创建单个线程的SingleThreadScheduledExecutor的API。

    public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor() {
        return new Executors.DelegatedScheduledExecutorService(new ScheduledThreadPoolExecutor(1));
    }
    public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor(ThreadFactory var0) {
        return new Executors.DelegatedScheduledExecutorService(new ScheduledThreadPoolExecutor(1, var0));
    }
    

Future接口

Future接口和实现Future接口的FutureTask类用来表示异步计算的结果。
当我们把Runnable接口或Callable接口的实现类提交（submit）给ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor时，ThreadPoolExecutor或 ScheduledThreadPoolExecutor会向我们返回一个FutureTask对象。
下面是对应的API：

 Future submit(Callable task)
 Future submit(Runnable task, T result)
Future<> submit(Runnable task)

有一点需要读者注意，到目前最新的JDK 8为止，Java通过上述API返回的是一个FutureTask对象。但从API可以看到，Java仅仅保证返回的是一个实现了Future接口的对象。在将来的JDK实现中，返回的可能不一定是FutureTask。

Runnable接口和 Callable接口

Runnable接口和Callable接口的实现类，都可以被ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor执行。
它们之间的区别是Runnable不会返回结果，而Callable可以返回结果。
除了可以自己创建实现Callable接口的对象外，还可以使用工厂类Executors来把一个Runnable包装成一个Callable。

下面是Executors提供的，把一个Runnable包装成一个Callable的API。

public static Callable