【Java并发编程】并发新特性—Executor框架与线程池（含代码）

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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。

    Executor接口中之定义了一个方法execute（Runnable command），该方法接收一个Runable实例，它用来执行一个任务，任务即一个实现了Runnable接口的类。ExecutorService接口继承自Executor接口，它提供了更丰富的实现多线程的方法，比如，ExecutorService提供了关闭自己的方法，以及可为跟踪一个或多个异步任务执行状况而生成 Future 的方法。 可以调用ExecutorService的shutdown（）方法来平滑地关闭 ExecutorService，调用该方法后，将导致ExecutorService停止接受任何新的任务且等待已经提交的任务执行完成(已经提交的任务会分两类：一类是已经在执行的，另一类是还没有开始执行的)，当所有已经提交的任务执行完毕后将会关闭ExecutorService。因此我们一般用该接口来实现和管理多线程。

    ExecutorService的生命周期包括三种状态：运行、关闭、终止。创建后便进入运行状态，当调用了shutdown（）方法时，便进入关闭状态，此时意味着ExecutorService不再接受新的任务，但它还在执行已经提交了的任务，当素有已经提交了的任务执行完后，便到达终止状态。如果不调用shutdown（）方法，ExecutorService会一直处在运行状态，不断接收新的任务，执行新的任务，服务器端一般不需要关闭它，保持一直运行即可。

    Executors提供了一系列工厂方法用于创先线程池，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。

    这四种方法都是用的Executors中的ThreadFactory建立的线程，下面就以上四个方法做个比较

newCachedThreadPool()	-缓存型池子，先查看池中有没有以前建立的线程，如果有，就 reuse.如果没有，就建一个新的线程加入池中 -缓存型池子通常用于执行一些生存期很短的异步型任务  因此在一些面向连接的daemon型SERVER中用得不多。但对于生存期短的异步任务，它是Executor的首选。 -能reuse的线程，必须是timeout IDLE内的池中线程，缺省     timeout是60s,超过这个IDLE时长，线程实例将被终止及移出池。   注意，放入CachedThreadPool的线程不必担心其结束，超过TIMEOUT不活动，其会自动被终止。
newFixedThreadPool(int)	-newFixedThreadPool与cacheThreadPool差不多，也是能reuse就用，但不能随时建新的线程 -其独特之处:任意时间点，最多只能有固定数目的活动线程存在，此时如果有新的线程要建立，只能放在另外的队列中等待，直到当前的线程中某个线程终止直接被移出池子 -和cacheThreadPool不同，FixedThreadPool没有IDLE机制（可能也有，但既然文档没提，肯定非常长，类似依赖上层的TCP或UDP IDLE机制之类的），所以FixedThreadPool多数针对一些很稳定很固定的正规并发线程，多用于服务器 -从方法的源代码看，cache池和fixed 池调用的是同一个底层 池，只不过参数不同: fixed池线程数固定，并且是0秒IDLE（无IDLE）     cache池线程数支持0-Integer.MAX_VALUE(显然完全没考虑主机的资源承受能力），60秒IDLE
newScheduledThreadPool(int)	-调度型线程池 -这个池子里的线程可以按schedule依次delay执行，或周期执行
SingleThreadExecutor()	-单例线程，任意时间池中只能有一个线程 -用的是和cache池和fixed池相同的底层池，但线程数目是1-1,0秒IDLE（无IDLE）

    一般来说，CachedTheadPool在程序执行过程中通常会创建与所需数量相同的线程，然后在它回收旧线程时停止创建新线程，因此它是合理的Executor的首选，只有当这种方式会引发问题时（比如需要大量长时间面向连接的线程时），才需要考虑用FixedThreadPool。（该段话摘自《Thinking in Java》第四版）

                         

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。");
     }
 }

   某次执行后的结果如下：

   从结果中可以看出，pool-1-thread-1和pool-1-thread-2均被调用了两次，这是随机的，execute会首先在线程池中选择一个已有空闲线程来执行任务，如果线程池中没有空闲线程，它便会创建一个新的线程来执行任务。

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<T> task) 方法来执行，并且返回一个 <T>Future<T>，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<Future<String>> resultList = new ArrayList<Future<String>>();

         //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<String> 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<String> 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<String>{
     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();
     }
 }

    某次执行结果如下：

   

    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ThreadPool Executor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<Runnable> bqueue = new ArrayBlockingQueue<Runnable>(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();
         }
     }
 }

    运行结果如下：

    从结果中可以看出，七个任务是在线程池的三个线程上执行的。这里简要说明下用到的ThreadPoolExecuror类的构造方法中各个参数的含义。   

public ThreadPoolExecutor (int corePoolSize, int maximumPoolSize, long         keepAliveTime, TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue)

corePoolSize：线程池中所保存的线程数，包括空闲线程。

maximumPoolSize：池中允许的最大线程数。

keepAliveTime：当线程数大于核心数时，该参数为所有的任务终止前，多余的空闲线程等待新任务的最长时间。

unit：等待时间的单位。

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。