Java并发-30.Executor框架

• HotSpot VM线程模型中Java线程被一对一映射为本地操作系统线程。
• 应用程序通过Executor框架控制上层调度，下层调度由操作系统内核控制，不受应用程序影响

1. Executor框架结构

• 任务，包括执行任务需要实现的接口：
  • Runnable接口和Callable接口的实现类，用于被ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadExecutor执行
• 任务的执行，包括任务执行机制的核心接口Executor，和继承自Executor的ExecutorService接口，有两个实现类：
  • ThreadPoolExecutor：用来执行被提交的任务
  • ScheduledThreadExecutor：在给定延时后执行任务，或定时执行任务
• 异步运算结果，包括接口Future和实现Future接口的FutureTask类

2. Executor成员

2.1 ThreadPoolExecutor

工厂类Executors来创建，有三种：

• FixeThreadPool：可重用固定线程数的线程池
  • 用于需要限制当前线程数量的应用场合
  • 它的corePoolSize和maximunPoolSize设置为创建时的参数。
  • 线程池中线程数大于corePoolSize，多余的空闲线程立即终止
  • 使用无界队列作为工作队列
  • 源码：

    public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    }

• SingleThreadExecutor：单个worker线程的Executor
  • 用于保证顺序执行各个任务，在任意时间点也不会有多个活动线程
  • corePoolSize= maximunPoolSize=1
  • 其余和ThreadPoolExecutor一样
  • 源码

    public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
    }
    public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
                                    threadFactory));
    }

• CachedThreadPool
  • 根据需要创建新线程，用于执行很多的短期异步小任务
  • 大小无界的线程池，corePoolSize = 0， maximunPoolSize=Integer.MAX_VALUE
  • 空闲线程等待60秒
  • SynchronousQueue作为工作队列
  • 源码：

    public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());
    }
    public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>(),
                                      threadFactory);
    }

2.2 ScheduledThreadPoolExecutor

通常用工厂类Executors类创建，有两种：

• ScheduledThreadPoolExecutor：包含固定个线程的ScheduledThreadPoolExecutor。
  • 使用DelayQueue作为任务队列，放入其中的是ScheduledFutureTask，主要包含3个成员变量：
    • long time，标识任务将要被执行的具体时间，DelayQueue中封装了一个PriorityQueue，根据它排序。
    • long sequenceNumber，标识这个任务被添加到ScheduledThreadPoolExecutor中的序号，先按time排序后按照它排序
    • long period，表示任务执行的时间间隔
  • 执行周期任务后，增加额外处理
  • 构造器源码：

    public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
    }
    public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(
            int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory) {
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize, threadFactory);
    }

• SingleThreadScheduledExecutor只包含一个线程的ScheduledThreadPoolExecutor。
  • 构造器源码：

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

2.3 Future接口

• Future接口和实现它的FutureTask类用来表示异步运算的结果。
• 可以看到submit()方法会返回一个FutureTask对象
• 三种状态
  • 未启动
  • 已启动
    • 正常结束
    • 取消而结束（FutureTask.cancel()）
    • 异常而结束
• 使用
  • 交给Executor执行
  • 通过ExecutorService.submit()方法返回FutureTask，执行get()方法或则cancel()方法。
• 实现
  • 基于AbstractQueuedSynchronized（AQS）实现：AQS是一个同步框架，提供通用机制来原子性的管理同步状态，阻塞和唤醒线程，以及维护阻塞线程的队列（基于它实现的同步器包括ReentrantLock，Semaphore，ReentrantReadWriteLock，CountDownLatch和FutureTask）
    • 基于AQS的同步器包含两种操作：
      • 至少一个acquire操作，阻塞调用线程，直到AQS状态允许这个线程继续执行
      • 至少一个release操作，改变AQS状态，改变后可允许一个或多个阻塞线程被解除阻塞，Future的release操作包括run()和cancel()

AQS作为“模板方法模式”的基础类提供给FutureTask的内部子类Sync，这个内部子类只需要实现AQS的tryAcquireShared(int)方法检查同步状态，实现了tryReleaseShared(int)方法更新同步状态，他们控制FutureTask的获取和释放操作。

Sync是FutureTask的内部私有类，继承与AQS，FutureTask的所有公共方法都委托给了内部私有的Sync：

• FutureTask.get()方法调用AQS.acquireSharedInturruptibli(int arg)方法：
  1. AQS.acquireSharedInterruptibly(int arg)方法，返回子类Sync中实现的tryAcquireShared()方法来判断acquire方法能否成功，成功条件为state执行完成状态RUN或者已取消状态CANCELLED，且runner不为null
  2. 成功则get()方法立即返回，失败则线程到线程等待队列中去等待其他线程执行release操作
  3. 其他线程执行release操作（FutureTask.run()或者FutureTask.cancel()）唤醒后，当前线程再次执行tryAcquireShared()方法返回正值1，当前线程离开线程等待队列并唤醒它的后继线程
  4. 返回计算的结果或抛出异常
• FutureTask.run()
  1. 执行构造函数中指定的任务（Callable.call())
  2. 原子方式更新同步状态（AQS.compareAndSetState(int except, int update)， 设置state为RAN)，如果原子操作成功，设置代表计算结果的变量result值为Callable.call()的返回值，然后调用AQS.releaseShared(int arg)
  3. AQS.releaseShared(int arg)首先返回子类Sync中实现的tryReleaseShared(arg)来执行release操作（设置运行任务的线程runner为null，然后返回true）；AQS.releaseShared(int arg)，然后唤醒线程等待队列中的第一个线程
  4. 调用FutureTask.done()

2.4 Runnable接口和Callable接口

• 两个接口的实现类都可以被ScheduledThreadPoolExecutor或者ThreadPoolExecutor执行。
• Runnable不会返回结果，Callable会返回结果
• Executors提供了API把Runnable包装成Callable