Java多线程学习（8）执行器

文章转载自JAVA8简明教程

构建一个新的线程是有一定代价的，因为涉及与操作系统的交互 。如果程序中创建了大量的生命期很短的线程，应该使用线程池 （ thread pool ) 。

一个线程池中包含许多准备运行的空闲线程 。将 Runnable 对象交给线程池 ，就会有一个线程调用 run 方法。当 run方法退出时，线程不会死亡 ， 而是在池中准备为下一个请求提供服务 。另一个使用线程池的理由是减少并发线程的数目。

创建大量线程会大大降低性能甚至使虚拟机崩溃。如果有一个会创建许多线程的算法，应该使用一个线程数 “ 固定的 ”线程池以限制并发线程的总数。

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执行器 （ Executor ) 类有许多静态工厂方法用来构建线程池 。

类图

Executor 英文意思是执行器，顾名思义，就是执行任务，所以该接口只有一个执行任务的方法：

void execute(Runnable command);

简单的例子

下面是使用executors的第一个代码示例：

ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
executor.submit(() -> {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
System.out.println("Hello " + threadName);
});

// => Hello pool-1-thread-1

Executors类提供了便利的工厂方法来创建不同类型的 executor services。在这个示例中我们使用了一个单线程线程池的 executor。

ExecutorService

ExecutorService 继承自 Executor，正如其名字一样，它定义了一个服务，定义了一个完成的线程池的行为。可以提交任务，执行任务，关闭服务。

ExecutorService提供了两个方法来达到这个目的——shutdwon()会等待正在执行的任务执行完而shutdownNow()会终止所有正在执行的任务并立即关闭execuotr。

关闭executors的方式:

try {
    System.out.println("attempt to shutdown executor");
    executor.shutdown();
    executor.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS);
    }
catch (InterruptedException e) {
    System.err.println("tasks interrupted");
}
finally {
    if (!executor.isTerminated()) {
        System.err.println("cancel non-finished tasks");
    }
    executor.shutdownNow();
    System.out.println("shutdown finished");
}

完整代码如下：

public class Executors1 {

    public static void main(String[] args) {
        test1(3);
    }

    private static void test1(long seconds) {
        ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
        executor.submit(() -> {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(seconds);
                String name = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println("task finished: " + name);
            }
            catch (InterruptedException e) {
                System.err.println("task interrupted");
            }
        });
        stop(executor);
    }

    static void stop(ExecutorService executor) {
    //Executors类提供了便利的工厂方法来创建不同类型的 executor services。
    //在这个示例中我们使用了一个单线程线程池的 executor。
        try {
            System.out.println("attempt to shutdown executor");
            executor.shutdown();
            executor.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS);
        }
        catch (InterruptedException e) {
            System.err.println("termination interrupted");
        }
        finally {
            if (!executor.isTerminated()) {
                System.err.println("killing non-finished tasks");
            }
            executor.shutdownNow();
            System.out.println("shutdown finished");
        }
    }
}

执行策略

先来熟悉下线程池几个关键的属性

corePoolSize：线程池中最小的工作线程数量
maximumPoolSize：线程池最大线程数
keepAliveTime：空闲线程等待执行任务的超时时间（纳秒）
workQueue：任务缓存队列，用来存放等待执行的任务
handler：任务拒绝策略

当向线程池提交一个任务，线程池处理逻辑如下:
1. 线程池判断核心线程池（corePoolSize）里的线程是否都在执行任务。如果不是，则创建一个新的工作线程来执行任务。否则进入下个流程。
2. 判断工作队列（workQueue）是否已满。如果工作队列没满，则将新提交的任务存储在工作队列中。否则进入下个流程。
3. 判断线程池的线程（maximumPoolSize）是否都处于工作状态。如果没有，则创建一个新的线程来执行任务。如果满了，则交给饱和策略（handler）来处理这个任务。

ThreadPoolExecutor 执行任务的逻辑示意图如下:

Callable 和 Future

除了Runnable，executor还支持另一种类型的任务——Callable。Callables也是类似于runnables的函数接口，不同之处在于，Callable返回一个值。

下面的lambda表达式定义了一个callable：在休眠一分钟后返回一个整数。

Callable task = () -> {
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        return 123;
    }
    catch (InterruptedException e) {
        throw new IllegalStateException("task interrupted", e);
    }
};

Callbale也可以像runnbales一样提交给 executor services。但是callables的结果怎么办？
因为submit()不会等待任务完成，executor service不能直接返回callable的结果。不过，executor 可以返回一个Future类型的结果，它可以用来在稍后某个时间取出实际的结果。

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
Future future = executor.submit(task);

System.out.println("future done? " + future.isDone());

Integer result = future.get();

System.out.println("future done? " + future.isDone());
System.out.print("result: " + result);

在将callable提交给exector之后，我们先通过调用isDone()来检查这个future是否已经完成执行。

在调用get()方法时，当前线程会阻塞等待，直到callable在返回实际的结果123之前执行完成。现在future执行完毕，我们可以在控制台看到如下的结果：

Future与底层的executor service紧密的结合在一起。记住，如果你关闭executor，所有的未中止的future都会抛出异常。

executor.shutdownNow();
future.get();

我们这次创建executor的方式与上一个例子稍有不同。我们使用newFixedThreadPool(1)来创建一个单线程线程池的 execuot service。 这等同于使用newSingleThreadExecutor不过使用第二种方式我们可以稍后通过简单的传入一个比1大的值来增加线程池的大小。

超时

任何future.get()调用都会阻塞，然后等待直到callable中止。在最糟糕的情况下，一个callable持续运行——因此使你的程序将没有响应。我们可以简单的传入一个时长来避免这种情况。

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);

    Future future = executor.submit(() -> {
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        return 123;
    }
    catch (InterruptedException e) {
        throw new IllegalStateException("task interrupted", e);
    }
});

    future.get(1, TimeUnit.SECONDS);

运行上面的代码将会产生一个TimeoutException：

Exception in thread "main" java.util.concurrent.TimeoutException
    at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:205)

invokeAll

Executors支持通过invokeAll()一次批量提交多个callable。这个方法结果一个callable的集合，然后返回一个future的列表。

ExecutorService executor = Executors.newWorkStealingPool();

List> callables = Arrays.asList(
        () -> "task1",
        () -> "task2",
        () -> "task3");

executor.invokeAll(callables)
    .stream()
    .map(future -> {
        try {
            return future.get();
        }
        catch (Exception e) {
            throw new IllegalStateException(e);
        }
    })
    .forEach(System.out::println);

invokeAny

批量提交callable的另一种方式就是invokeAny()，它的工作方式与invokeAll()稍有不同。在等待future对象的过程中，这个方法将会阻塞直到第一个callable中止然后返回这一个callable的结果。

为了测试这种行为，我们利用这个帮助方法来模拟不同执行时间的callable。这个方法返回一个callable，这个callable休眠指定 的时间直到返回给定的结果。

Callable callable(String result, long sleepSeconds) {
    return () -> {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(sleepSeconds);
        return result;
    };
}

我们利用这个方法创建一组callable，这些callable拥有不同的执行时间，从1分钟到3分钟。通过invokeAny()将这些callable提交给一个executor，返回最快的callable的字符串结果-在这个例子中为任务2：

ExecutorService executor = Executors.newWorkStealingPool();

List> callables = Arrays.asList(
callable("task1", 2),
callable("task2", 1),
callable("task3", 3));

String result = executor.invokeAny(callables);
System.out.println(result);

// => task2

上面这个例子又使用了另一种方式来创建executor——调用newWorkStealingPool()。这个工厂方法是Java8引入的，返回一个ForkJoinPool类型的 executor，它的工作方法与其他常见的execuotr稍有不同。与使用一个固定大小的线程池不同，ForkJoinPools使用一个并行因子数来创建，默认值为主机CPU的可用核心数。

ScheduledExecutor

我们已经学习了如何在一个 executor 中提交和运行一次任务。为了持续的多次执行常见的任务，我们可以利用调度线程池。

ScheduledExecutorService支持任务调度，持续执行或者延迟一段时间后执行。

下面的实例，调度一个任务在延迟3分钟后执行：

ScheduledExecutorService executor =  Executors.newScheduledThreadPool(1);

Runnable task = () -> System.out.println("Scheduling: " + System.nanoTime());
ScheduledFuture future = executor.schedule(task, 3, TimeUnit.SECONDS);

TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1337);

long remainingDelay = future.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS);
System.out.printf("Remaining Delay: %sms", remainingDelay);

调度一个任务将会产生一个专门的future类型——ScheduleFuture，它除了提供了Future的所有方法之外，他还提供了getDelay()方法来获得剩余的延迟。在延迟消逝后，任务将会并发执行。

为了调度任务持续的执行，executors 提供了两个方法scheduleAtFixedRate()和scheduleWithFixedDelay()。第一个方法用来以固定频率来执行一个任务，比如，下面这个示例中，每分钟一次：

ScheduledExecutorService executor =     Executors.newScheduledThreadPool(1);

Runnable task = () -> System.out.println("Scheduling: " + System.nanoTime());

int initialDelay = 0;
int period = 1;
executor.scheduleAtFixedRate(task, initialDelay, period, TimeUnit.SECONDS);

另外，这个方法还接收一个初始化延迟，用来指定这个任务首次被执行等待的时长。

请记住：scheduleAtFixedRate()并不考虑任务的实际用时。所以，如果你指定了一个period为1分钟而任务需要执行2分钟，那么线程池为了性能会更快的执行。

在这种情况下，你应该考虑使用scheduleWithFixedDelay()。这个方法的工作方式与上我们上面描述的类似。不同之处在于等待时间 period 的应用是在一次任务的结束和下一个任务的开始之间。例如：

ScheduledExecutorService executor =         Executors.newScheduledThreadPool(1);

Runnable task = () -> {
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        System.out.println("Scheduling: " + System.nanoTime());
    }
    catch (InterruptedException e) {
        System.err.println("task interrupted");
    }
};

executor.scheduleWithFixedDelay(task, 0, 1, TimeUnit.SECONDS);

这个例子调度了一个任务，并在一次执行的结束和下一次执行的开始之间设置了一个1分钟的固定延迟。初始化延迟为0，任务执行时间为0。所以我们分别在0s,3s,6s,9s等间隔处结束一次执行。

如你所见，scheduleWithFixedDelay()在你不能预测调度任务的执行时长时是很有用的。