java并发编程的艺术第十章——Executor框架

1、Executor框架

1.1、Executor框架的结构

Executor主要由3大部分组成。

  • 任务。包含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接口的ExecutorService接口。Executor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。

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,它将任务的提交和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。SchduledThreadPoolExecutor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SchduledThreadPoolExecutor执行

1.2、Executor框架的成员

Executor框架的主要成员:ThreadPoolExecutor、ScheduledThreadPoolExecutor、Future接口、Runnable接口、Callable接口、Executors。

1.2.1、ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor通常使用工厂类Executors来创建,Executors可以创建3种类型的ThreadPoolExecutor:SingleThreadExecutor、FixThreadPool、CachedThreadPool。

  • FixThreadPool:创建固定线程数的线程池,构造函数中可以指定线程数量,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。 FixThreadPool内部使用无界队列LinkedBlockingQueue作为任务队列,队列的容量为Integer.MAX_VALUE,由于是无界队列,所以不会拒绝任务,可能会造成任务无限堆积,从而导致系统资源耗尽的情况。
  • SingleThreadExecutor:创建单个线程的线程池,可以保证顺序执行任务。与FixThreadPool类似,只是SingleThreadExecutor的线程数固定为1
  • CachedThreadPool:可以根据需要创建新的线程,CachedThreadPool是大小无界的线程池,适用于执行很多短期异步任务的小程序,或者是负载比较轻的服务器。CachedThreadPool的corePool为空,maximumPoolSize为Integer.MAX_VALUE,keepAliveTime为60L,这意味着线程空闲超过60秒则会进行回收。CachedThreadPool内部使用不存储元素的SynchronousQueue作为任务队列(一个put操作等待着一个take操作),这意味着如果任务的提交速度高于线程的处理速度,那么CachedThreadPool则会不断的创建新的线程,在极端的情况下,会耗尽CPU和内存资源。
1.2.2、SchduledThreadPoolExecutor

SchduledThreadPoolExecutor通常使用工厂类Executors来创建,Executors可以创建2中类型的SchduledThreadPoolExecutor,如下:

  • SchduledThreadPoolExecutor。包含若干个线程的SchduledThreadPoolExecutor。
  • SingleThreadSchduledExecutor。只包含一个线程的SchduledThreadPoolExecutor。
1.2.3、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接口或者Callable接口的实现类提交(submit)给ThreadPoolExecutor或者SchduledThreadPoolExecutor时,ThreadPoolExecutor或者SchduledThreadPoolExecutor会向我们返回一个FutureTask对象。下面是对应的API

1.2.4、Runnable和Callable接口

Runnable和Callable接口的实现类都可以被hreadPoolExecutor或者SchduledThreadPoolExecutor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。

除了可以自已创建实现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。

当我们把一个Callable对象提交给ThreadPoolExecutor或者SchduledThreadPoolExecutor执行时,summit()会向我们返回一个FutureTask对象。我们可以执行FutureTask.get()来等待任务执行完成。当任务完成后FutureTask.get()将会返回任务的结果。

附录:简单的结构脑图

2、ThreadPoolExecutor

  • FixThreadPool:FixThreadPool内部使用无界队列LinkedBlockingQueue作为任务队列,队列的容量为Integer.MAX_VALUE,由于是无界队列,所以不会拒绝任务,可能会造成任务无限堆积,从而导致系统资源耗尽的情况,keepAliveTime为0L,意味着空闲的线程会被立马终止。
  • SingleThreadExecutor:与FixThreadPool类似,只是SingleThreadExecutor的线程数固定为1
  • CachedThreadPool:CachedThreadPool的corePool为空,maximumPoolSize为Integer.MAX_VALUE,keepAliveTime为60L,这意味着线程空闲超过60秒则会进行回收。CachedThreadPool内部使用不存储元素的SynchronousQueue作为任务队列(一个put操作等待着一个take操作),这意味着如果任务的提交速度高于线程的处理速度,那么CachedThreadPool则会不断的创建新的线程,在极端的情况下,会耗尽CPU和内存资源。

3、ScheduledThreadPoolExecutor

ScheduledThreadPoolExecutor主要用来执行需要延迟或者定时执行的任务,功能与Timer类似,不同的是Timer只能单线程允许,ScheduledThreadPoolExecutor可以指定多个线程。

ScheduledThreadPoolExecutor会把要执行的任务放在一个DelayQueue中,ScheduledThreadPoolExecutor会把Runable对象封装成ScheduledFutureTask,ScheduledFutureTask内部包含三个对象

  • time:任务要被执行的具体时间
  • sequenceNumber:任务排序编号,如果两个任务的time相同,那么则sequenceNumber较小的会先执行
  • period:任务执行的周期

ScheduledThreadPoolExecutor执行任务的流程大体是:

  • 从DelayQueue中获取ScheduledFutureTask(time大于当前时间的任务)
  • 执行ScheduledFutureTask
  • 修改ScheduledFutureTask的time为下次要执行的时间
  • 将ScheduledFutureTask再次放入DelayQueue中

简单代码示例:

package main.java.com.robot.demo;

import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ScheduledThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @author: 会跳舞的机器人
 * @date: 2017/8/24 10:14
 * @description: ScheduledThreadPoolExecutor
 */
public class ScheduledThreadPoolExecutorDemo {
    private static ScheduledThreadPoolExecutor scheduledThreadPoolExecutor = new ScheduledThreadPoolExecutor(4);

    public static void main(String[] args) {
        // 初始化3秒后开始执行任务,此后每隔1秒执行一次
        scheduledThreadPoolExecutor.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("正在执行任务,当前时间:" + new Date());
            }
        }, 3L, 1L, TimeUnit.SECONDS);
    }
}

4、FutureTask

Future接口和FutureTask实现代表线程异步执行的结果,可以通过FutureTask.get()方法获取异步返回的结果。

示例:

package main.java.com.robot.demo;

import java.util.Date;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.FutureTask;

/**
 * @author: 会跳舞的机器人
 * @date: 2017/8/24 11:14
 * @description: FutureTask示例
 */
public class FutureTaskDemo {
    private static ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();

    public static void main(String[] args) {
        FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(new Callable<String>() {
            @Override
            public String call() throws Exception {
                System.out.println("当前时间:" + new Date() + "执行任务......");
                Thread.sleep(3000);
                return "success";
            }
        });
        // 提交任务
        executorService.submit(futureTask);
        // 获取返回结果
        String result = "";
        try {
            result = futureTask.get();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("当前时间:" + new Date() + ",线程执行结果返回:" + result);
        // 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}

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