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Java Executor並發框架（一），javaexecutor

編輯：JAVA綜合教程

Java Executor並發框架（一），javaexecutor

一、概述

Java是天生就支持並發的語言，支持並發意味著多線程，線程的頻繁創建在高並發及大數據量是非常消耗資源的，因為java提供了線程池。在jdk1.5以前的版本中，線程池的使用是及其簡陋的，但是在JDK1.5後，有了很大的改善。JDK1.5之後加入了java.util.concurrent包，java.util.concurrent包的加入給予開發人員開發並發程序以及解決並發問題很大的幫助。這篇文章主要介紹下並發包下的Executor接口，Executor接口雖然作為一個非常舊的接口（JDK1.5 2004年發布），但是很多程序員對於其中的一些原理還是不熟悉，因此寫這篇文章來介紹下Executor接口，同時鞏固下自己的知識。如果文章中有出現錯誤，歡迎大家指出。

二、Executors工廠類

對於數據庫連接，我們經常聽到數據庫連接池這個概念。因為建立數據庫連接時非常耗時的一個操作，其中涉及到網絡IO的一些操作。因此就想出把連接通過一個連接池來管理。需要連接的話，就從連接池裡取一個。當使用完了，就“關閉”連接，這不是正在意義上的關閉，只是把連接放回到我們的池裡，供其他人在使用。所以對於線程，也有了線程池這個概念，其中的原理和數據庫連接池是差不多的，因此java jdk中也提供了線程池的功能。

線程池的作用：線程池就是限制系統中使用線程的數量以及更好的使用線程

根據系統的運行情況，可以自動或手動設置線程數量，達到運行的最佳效果：配置少了，將影響系統的執行效率，配置多了，又會浪費系統的資源。用線程池配置數量，其他線程排隊等候。當一個任務執行完畢後，就從隊列中取一個新任務運行，如果沒有新任務，那麼這個線程將等待。如果來了一個新任務，但是沒有空閒線程的話，那麼把任務加入到等待隊列中。

為什麼要用線程池:

Java裡面線程池的頂級接口是Executor，但是嚴格意義上講Executor並不是一個線程池，而只是一個執行線程的工具。真正的線程池接口是ExecutorService。Executors類，提供了一系列工廠方法用於創先線程池，返回的線程池都實現了ExecutorService接口。

比較重要的幾個類：

ExecutorService

真正的線程池接口。

ScheduledExecutorService

能和Timer/TimerTask類似，解決那些需要任務重復執行的問題。

ThreadPoolExecutor

ExecutorService的默認實現。

ScheduledThreadPoolExecutor

繼承ThreadPoolExecutor的ScheduledExecutorService接口實現，周期性任務調度的類實現。

要配置一個線程池是比較復雜的，尤其是對於線程池的原理不是很清楚的情況下，很有可能配置的線程池不是較優的，因此在Executors類裡面提供了一些靜態工廠，生成一些常用的線程池。

1. newSingleThreadExecutor

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor()

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory)

創建一個單線程的線程池。這個線程池只有一個線程在工作，也就是相當於單線程串行執行所有任務。如果這個唯一的線程因為異常結束，那麼會有一個新的線程來替代它。此線程池保證所有任務的執行順序按照任務的提交順序執行。

2. newFixedThreadPool

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory)

創建固定大小的線程池。每次提交一個任務就創建一個線程，直到線程達到線程池的最大大小。線程池的大小一旦達到最大值就會保持不變，在提交新任務，任務將會進入等待隊列中等待。如果某個線程因為執行異常而結束，那麼線程池會補充一個新線程。

3. newCachedThreadPool

public static ExecutorService newCachedThreadPool()

public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory)

創建一個可緩存的線程池。如果線程池的大小超過了處理任務所需要的線程，

那麼就會回收部分空閒（60秒處於等待任務到來）的線程，當任務數增加時，此線程池又可以智能的添加新線程來處理任務。此線程池的最大值是Integer的最大值(2^31-1)。

4. newScheduledThreadPool

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory)

創建一個大小無限的線程池。此線程池支持定時以及周期性執行任務的需求。

實例:

注：使用了java8的lambda表達式以及stream

1.newSingleThreadExecutor

public class SingleThreadExecutorTest {

    public static void main(String[] args) {

        ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();

        IntStream.range(0, 5).forEach(i -> executor.execute(() -> {
            String threadName = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println("finished: " + threadName);
        }));

        try {
            //close pool
            executor.shutdown();
            executor.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (!executor.isTerminated()) {
                executor.shutdownNow();
            }
        }
    }
}

輸出結果：

finished: pool-1-thread-1
finished: pool-1-thread-1
finished: pool-1-thread-1
finished: pool-1-thread-1
finished: pool-1-thread-1

線程名都一樣，說明是同一個線程

2.newFixedThreadPool

public class FixedThreadExecutorTest {

    public static void main(String[] args) {

        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);

        IntStream.range(0, 6).forEach(i -> executor.execute(() -> {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                String threadName = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println("finished: " + threadName);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }));
//close pool 同上...
　　  
    }
}

輸出結果：

finished: pool-1-thread-2
finished: pool-1-thread-3
finished: pool-1-thread-1
finished: pool-1-thread-1
finished: pool-1-thread-2
finished: pool-1-thread-3

只創建了三個線程

3.newCachedThreadPool

public class CachedThreadExecutorTest {

    public static void main(String[] args) {

        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        IntStream.range(0, 6).forEach(i -> executor.execute(() -> {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                String threadName = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println("finished: " + threadName);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }));

         //close pool 同上... 
    }
}

輸出結果：

finished: pool-1-thread-1
finished: pool-1-thread-2
finished: pool-1-thread-3
finished: pool-1-thread-6
finished: pool-1-thread-5
finished: pool-1-thread-4

創建了6個線程

4.newScheduledThreadPool

public class ScheduledThreadExecutorTest {

    public static void main(String[] args) {
        ScheduledThreadPoolExecutor executor = new ScheduledThreadPoolExecutor(1);

        executor.scheduleAtFixedRate(() -> System.out.println(System.currentTimeMillis()), 1000, 2000, TimeUnit.MILLISECONDS);

            //close pool 同上
    }
}

輸出結果：

1457967177735
1457967179736
1457967181735

三：ThreadPoolExecutor詳解

java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor類是線程池中最核心的一個類，因此如果要透徹地了解Java中的線程池，必須先了解這個類。下面我們來看一下ThreadPoolExecutor類的具體實現源碼。

　　在ThreadPoolExecutor類中提供了四個構造方法：

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {
    .....
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue<Runnable> workQueue);
 
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory);
 
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
            BlockingQueue<Runnable> workQueue,RejectedExecutionHandler handler);
 
    public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,int maximumPoolSize,long keepAliveTime,TimeUnit unit,
        BlockingQueue<Runnable> workQueue,ThreadFactory threadFactory,RejectedExecutionHandler handler);
    ...
}

從上面的代碼可以得知，ThreadPoolExecutor繼承了AbstractExecutorService類，並提供了四個構造器，事實上，通過觀察每個構造器的源碼具體實現，發現前面三個構造器都是調用的第四個構造器進行的初始化工作。

ThreadPoolExecutor的完整構造方法的簽名是：

ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler)

corePoolSize：核心池的大小，這個參數跟後面講述的線程池的實現原理有非常大的關系。在創建了線程池後，默認情況下，線程池中並沒有任何線程，而是等待有任務到來才創建線程去執行任務，除非調用了prestartAllCoreThreads()或者 prestartCoreThread()方法，從這2個方法的名字就可以看出，是預創建線程的意思，即在沒有任務到來之前就創建 corePoolSize個線程或者一個線程。默認情況下，在創建了線程池後，線程池中的線程數為0，當有任務來之後，就會創建一個線程去執行任務，當線程池中的線程數目達到corePoolSize後，就會把到達的任務放到緩存隊列當中；
maximumPoolSize：線程池最大線程數，這個參數也是一個非常重要的參數，它表示在線程池中最多能創建多少個線程；
keepAliveTime：表示線程沒有任務執行時最多保持多久時間會終止。默認情況下，只有當線程池中的線程數大於corePoolSize 時，keepAliveTime才會起作用，直到線程池中的線程數不大於corePoolSize。即當線程池中的線程數大於corePoolSize 時，如果一個線程空閒的時間達到keepAliveTime，則會終止，直到線程池中的線程數不超過corePoolSize。但是如果調用了 allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法，在線程池中的線程數不大於corePoolSize 時，keepAliveTime參數也會起作用，直到線程池中的線程數為0；
unit：參數keepAliveTime的時間單位，有7種取值，在TimeUnit類中有7種靜態屬性：

TimeUnit.DAYS;               //天
TimeUnit.HOURS;             //小時
TimeUnit.MINUTES;           //分鐘
TimeUnit.SECONDS;           //秒
TimeUnit.MILLISECONDS;      //毫秒
TimeUnit.MICROSECONDS;      //微妙
TimeUnit.NANOSECONDS;       //納秒

workQueue：一個阻塞隊列，用來存儲等待執行的任務，這個參數的選擇也很重要，會對線程池的運行過程產生重大影響，一般來說，這裡的阻塞隊列有以下幾種選擇：
```
ArrayBlockingQueue; //有界隊列
LinkedBlockingQueue; //無界隊列
SynchronousQueue; //特殊的一個隊列，只有存在等待取出的線程時才能加入隊列，可以說容量為0，是無界隊列
```
ArrayBlockingQueue和PriorityBlockingQueue使用較少，一般使用LinkedBlockingQueue和Synchronous。線程池的排隊策略與BlockingQueue有關。
threadFactory：線程工廠，主要用來創建線程；
handler：表示當拒絕處理任務時的策略，有以下四種取值：
```
ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丟棄任務並拋出RejectedExecutionException異常。 
ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丟棄任務，但是不拋出異常。 
ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丟棄隊列最前面的任務，然後重新嘗試執行任務（重復此過程）
ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由調用線程處理該任務 
```
ThreadPoolExecutor是Executors類的底層實現。

在JDK幫助文檔中，有如此一段話：

“強烈建議程序員使用較為方便的 Executors 工廠方法 Executors.newCachedThreadPool()（無界線程池，可以進行自動線程回收）、Executors.newFixedThreadPool(int)（固定大小線程池）Executors.newSingleThreadExecutor()（單個後台線程）

它們均為大多數使用場景預定義了設置。”

下面介紹一下幾個類的源碼：

ExecutorService newFixedThreadPool (int nThreads):固定大小線程池。

可以看到，corePoolSize和maximumPoolSize的大小是一樣的（實際上，後面會介紹，如果使用無界queue的話 maximumPoolSize參數是沒有意義的），keepAliveTime和unit的設值表明什麼？-就是該實現不想keep alive！最後的BlockingQueue選擇了LinkedBlockingQueue，該queue有一個特點，他是無界的。

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

　　ExecutorService newSingleThreadExecutor()：單線程

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

ExecutorService newCachedThreadPool()：無界線程池，可以進行自動線程回收

這個實現就有意思了。首先是無界的線程池，所以我們可以發現maximumPoolSize為big big。其次BlockingQueue的選擇上使用SynchronousQueue。可能對於該BlockingQueue有些陌生，簡單說：該 QUEUE中，每個插入操作必須等待另一個線程的對應移除操作。

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

從上面給出的ThreadPoolExecutor類的代碼可以知道，ThreadPoolExecutor繼承了AbstractExecutorService，AbstractExecutorService是一個抽象類，它實現了ExecutorService接口。

public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService

　而ExecutorService又是繼承了Executor接口

public interface ExecutorService extends Executor

我們看一下Executor接口的實現：

public interface Executor {
    void execute(Runnable command);
}

到這裡，大家應該明白了ThreadPoolExecutor、AbstractExecutorService、ExecutorService和Executor幾個之間的關系了。

　　Executor是一個頂層接口，在它裡面只聲明了一個方法execute(Runnable)，返回值為void，參數為Runnable類型，從字面意思可以理解，就是用來執行傳進去的任務的；

　　然後ExecutorService接口繼承了Executor接口，並聲明了一些方法：submit、invokeAll、invokeAny以及shutDown等；

　　抽象類AbstractExecutorService實現了ExecutorService接口，基本實現了ExecutorService中聲明的所有方法；

　　然後ThreadPoolExecutor繼承了類AbstractExecutorService。

　　在ThreadPoolExecutor類中有幾個非常重要的方法：

public void execute(Runnable command)

public <T> Future<T> submit(Callable<T> task)

public void shutdown()

public List<Runnable> shutdownNow()  //返回未執行的任務

execute()方法實際上是Executor中聲明的方法，在ThreadPoolExecutor進行了具體的實現，這個方法是ThreadPoolExecutor的核心方法，通過這個方法可以向線程池提交一個任務，交由線程池去執行。

　　submit()方法是在ExecutorService中聲明的方法，在AbstractExecutorService就已經有了具體的實現，在ThreadPoolExecutor中並沒有對其進行重寫，這個方法也是用來向線程池提交任務的，但是它和execute()方法不同，它能夠返回任務執行的結果，去看submit()方法的實現，會發現它實際上還是調用的execute()方法，只不過它利用了Future來獲取任務執行結果（Future相關內容將在下一篇講述）。

　　shutdown()和shutdownNow()是用來關閉線程池的。