Java多线程之concurrent包（三）——Executor框架与线程池

Executor框架简介

在Java 5之后，并发编程引入了一堆新的启动、调度和管理线程的API。Executor框架便是Java 5中引入的，其内部使用了线程池机制，它在java.util.cocurrent 包下，通过该框架来控制线程的启动、执行和关闭，可以简化并发编程的操作。因此，在Java 5之后，通过Executor来启动线程比使用Thread的start方法更好，除了更易管理，效率更好（用线程池实现，节约开销）外，还有关键的一点：有助于避免this逃逸问题——如果我们在构造器中启动一个线程，因为另一个任务可能会在构造器结束之前开始执行，此时可能会访问到初始化了一半的对象用Executor在构造器中。

Executor框架包括：线程池，Executor，Executors，ExecutorService，CompletionService，Future，Callable等。

Executors提供了一系列工厂方法用于创建线程池，返回的线程池都实现了ExecutorService接口。

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)
创建固定数目线程的线程池。

public static ExecutorService newCachedThreadPool()
创建一个可缓存的线程池，调用execute将重用以前构造的线程（如果线程可用）。如果现有线程没有可用的，则创建一个新线 程并添加到池中。终止并从缓存中移除那些已有 60 秒钟未被使用的线程。

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor()
创建一个单线程化的Executor。

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)
创建一个支持定时及周期性的任务执行的线程池，多数情况下可用来替代Timer类。

Executor执行Runnable任务
通过Executors的以上四个静态工厂方法获得 ExecutorService实例，而后调用该实例的execute（Runnable command）方法即可。一旦Runnable任务传递到execute（）方法，该方法便会自动在一个线程上执行。下面是是Executor执行Runnable任务的示例代码：

import java.util.concurrent.ExecutorService; 
import java.util.concurrent.Executors; 

public class TestCachedThreadPool{ 
    public static void main(String[] args){ 
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); 
//      ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
//      ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        for (int i = 0; i < 5; i++){ 
            executorService.execute(new TestRunnable()); 
            System.out.println("************* a" + i + " *************"); 
        } 
        executorService.shutdown(); 
    } 
} 

class TestRunnable implements Runnable{ 
    public void run(){ 
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程被调用了。"); 
    } 
}

Executor执行Callable任务

在Java 5之后，任务分两类：一类是实现了Runnable接口的类，一类是实现了Callable接口的类。两者都可以被ExecutorService执行，但是Runnable任务没有返回值，而Callable任务有返回值。并且Callable的call()方法只能通过ExecutorService的submit(Callable task) 方法来执行，并且返回一个 Future，是表示任务等待完成的 Future。

Callable接口类似于Runnable，两者都是为那些其实例可能被另一个线程执行的类设计的。但是 Runnable 不会返回结果，并且无法抛出经过检查的异常而Callable又返回结果，而且当获取返回结果时可能会抛出异常。Callable中的call()方法类似Runnable的run()方法，区别同样是有返回值，后者没有。

当将一个Callable的对象传递给ExecutorService的submit方法，则该call方法自动在一个线程上执行，并且会返回执行结果Future对象。同样，将Runnable的对象传递给ExecutorService的submit方法，则该run方法自动在一个线程上执行，并且会返回执行结果Future对象，但是在该Future对象上调用get方法，将返回null。

下面给出一个Executor执行Callable任务的示例代码：

import java.util.ArrayList; 
import java.util.List; 
import java.util.concurrent.*; 

public class CallableDemo{ 
    public static void main(String[] args){ 
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); 
        List> resultList = new ArrayList>(); 

        //创建10个任务并执行 
        for (int i = 0; i < 10; i++){ 
            //使用ExecutorService执行Callable类型的任务，并将结果保存在future变量中 
            Future future = executorService.submit(new TaskWithResult(i)); 
            //将任务执行结果存储到List中 
            resultList.add(future); 
        } 

        //遍历任务的结果 
        for (Future fs : resultList){ 
                try{ 
                    while(!fs.isDone);//Future返回如果没有完成，则一直循环等待，直到Future返回完成
                    System.out.println(fs.get());     //打印各个线程（任务）执行的结果 
                }catch(InterruptedException e){ 
                    e.printStackTrace(); 
                }catch(ExecutionException e){ 
                    e.printStackTrace(); 
                }finally{ 
                    //启动一次顺序关闭，执行以前提交的任务，但不接受新任务
                    executorService.shutdown(); 
                } 
        } 
    } 
} 


class TaskWithResult implements Callable{ 
    private int id; 

    public TaskWithResult(int id){ 
        this.id = id; 
    } 

    /** 
     * 任务的具体过程，一旦任务传给ExecutorService的submit方法，
     * 则该方法自动在一个线程上执行
     */ 
    public String call() throws Exception {
        System.out.println("call()方法被自动调用！！！    " + Thread.currentThread().getName()); 
        //该返回结果将被Future的get方法得到
        return "call()方法被自动调用，任务返回的结果是：" + id + "    " + Thread.currentThread().getName(); 
    } 
}

从结果中可以同样可以看出，submit也是首先选择空闲线程来执行任务，如果没有，才会创建新的线程来执行任务。另外，需要注意：如果Future的返回尚未完成，则get（）方法会阻塞等待，直到Future完成返回，可以通过调用isDone（）方法判断Future是否完成了返回。

自定义线程池
自定义线程池，可以用ThreadPoolExecutor类创建，它有多个构造方法来创建线程池，用该类很容易实现自定义的线程池，这里先贴上示例程序：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; 
import java.util.concurrent.BlockingQueue; 
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor; 
import java.util.concurrent.TimeUnit; 

public class ThreadPoolTest{ 
    public static void main(String[] args){ 
        //创建等待队列 
        BlockingQueue bqueue = new ArrayBlockingQueue(20); 
        //创建线程池，池中保存的线程数为3，允许的最大线程数为5
        ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(3,5,50,TimeUnit.MILLISECONDS,bqueue); 
        //创建七个任务 
        Runnable t1 = new MyThread(); 
        Runnable t2 = new MyThread(); 
        Runnable t3 = new MyThread(); 
        Runnable t4 = new MyThread(); 
        Runnable t5 = new MyThread(); 
        Runnable t6 = new MyThread(); 
        Runnable t7 = new MyThread(); 
        //每个任务会在一个线程上执行
        pool.execute(t1); 
        pool.execute(t2); 
        pool.execute(t3); 
        pool.execute(t4); 
        pool.execute(t5); 
        pool.execute(t6); 
        pool.execute(t7); 
        //关闭线程池 
        pool.shutdown(); 
    } 
} 

class MyThread implements Runnable{ 
    @Override 
    public void run(){ 
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在执行。。。"); 
        try{ 
            Thread.sleep(100); 
        }catch(InterruptedException e){ 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
}

corePoolSize：线程池中所保存的核心线程数，包括空闲线程。

maximumPoolSize：池中允许的最大线程数。

keepAliveTime：线程池中的空闲线程所能持续的最长时间。

unit：持续时间的单位。

workQueue：任务执行前保存任务的队列，仅保存由execute方法提交的Runnable任务。

根据ThreadPoolExecutor源码前面大段的注释，我们可以看出，当试图通过excute方法讲一个Runnable任务添加到线程池中时，按照如下顺序来处理：

1、如果线程池中的线程数量少于corePoolSize，即使线程池中有空闲线程，也会创建一个新的线程来执行新添加的任务；

2、如果线程池中的线程数量大于等于corePoolSize，但缓冲队列workQueue未满，则将新添加的任务放到workQueue中，按照FIFO的原则依次等待执行（线程池中有线程空闲出来后依次将缓冲队列中的任务交付给空闲的线程执行）；

3、如果线程池中的线程数量大于等于corePoolSize，且缓冲队列workQueue已满，但线程池中的线程数量小于maximumPoolSize，则会创建新的线程来处理被添加的任务；

4、如果线程池中的线程数量等于了maximumPoolSize，有4种才处理方式（该构造方法调用了含有5个参数的构造方法，并将最后一个构造方法为RejectedExecutionHandler类型，它在处理线程溢出时有4种方式，这里不再细说，要了解的，自己可以阅读下源码）。

总结起来，也即是说，当有新的任务要处理时，先看线程池中的线程数量是否大于corePoolSize，再看缓冲队列workQueue是否满，最后看线程池中的线程数量是否大于maximumPoolSize。

另外，当线程池中的线程数量大于corePoolSize时，如果里面有线程的空闲时间超过了keepAliveTime，就将其移除线程池，这样，可以动态地调整线程池中线程的数量。

下面说说几种排队的策略：

1、直接提交。缓冲队列采用 SynchronousQueue，它将任务直接交给线程处理而不保持它们。如果不存在可用于立即运行任务的线程（即线程池中的线程都在工作），则试图把任务加入缓冲队列将会失败，因此会构造一个新的线程来处理新添加的任务，并将其加入到线程池中。直接提交通常要求无界 maximumPoolSizes（Integer.MAX_VALUE） 以避免拒绝新提交的任务。newCachedThreadPool采用的便是这种策略。

2、无界队列。使用无界队列（典型的便是采用预定义容量的 LinkedBlockingQueue，理论上是该缓冲队列可以对无限多的任务排队）将导致在所有 corePoolSize 线程都工作的情况下将新任务加入到缓冲队列中。这样，创建的线程就不会超过 corePoolSize，也因此，maximumPoolSize 的值也就无效了。当每个任务完全独立于其他任务，即任务执行互不影响时，适合于使用无界队列。newFixedThreadPool采用的便是这种策略。

3、有界队列。当使用有限的 maximumPoolSizes 时，有界队列（一般缓冲队列使用ArrayBlockingQueue，并制定队列的最大长度）有助于防止资源耗尽，但是可能较难调整和控制，队列大小和最大池大小需要相互折衷，需要设定合理的参数。