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Java并发编程 – Executor,Executors,ExecutorService, CompletionServie,Future,Callable

Java从1.5版本开始,为简化多线程并发编程,引入全新的并发编程包:java.util.concurrent及其并发编程框架(Executor框架)。 Executor框架是指java 5中引入的一系列并发库中与executor相关的一些功能类,其中包括线程池,Executor,Executors,ExecutorService,CompletionService,Future,Callable等。他们的关系为

img

在Executor框架中,使用执行器(Exectuor)来管理Thread对象,从而简化了并发编程。

二、认识Exectuor(执行器)

1、并发编程的一种编程方式是把任务拆分为一系列的小任务,即Runnable,然后将这些任务提交给一个Executor执行,Executor.execute(Runnalbe) 。Executor在执行时使用其内部的线程池来完成操作。

​ Executor的子接口有:ExecutorService,ScheduledExecutorService,已知实现类:AbstractExecutorService,ScheduledThreadPoolExecutor,ThreadPoolExecutor

2、Executor属于public类型的接口。可以用于提交,管理或者执行Runnable任务。实现Executor接口的class还可以控制Runnable任务执行线程的具体细节。包括线程使用的细节、调度等。一般来说,Runnable任务开辟在新线程中的使用方法为:new Thread(new RunnableTask())).start()

3、但在Executor中,可以使用Executor而不用显示地创建线程。例如,可以使用以下方法创建线程,而不是像第2点中为一种任务中的每个任务都调用new Thread(…)的方法。

Exectuor executor = anExecutor();  
executor.execute(new RunnableTask()); // 异步执行  
executor.execute(new RunnableTask());  

4、但是,Executor接口并没有严格地要求执行必须是异步/同步的,一切都相当自由。在最简单的情况下,执行程序可以在调用者的线程中立即运行已提交的任务,

class DirectExecutor implements Executor {        
       public void execute(Runnable r) {            
              r.run();      
       }    
}  

更常见的是,任务在某个不是调用者线程的线程中执行的。如在另一个线程中启动:

class ThreadPerTaskExecutor implements Executor {        
           public void execute(Runnable r) {            
              new Thread(r).start();        
            }    
}  

也可以在实现中用另一个Executor来序列化执行过程:

class SerialExecutor implements Executor {    
    final Queue<Runnable> tasks = new ArrayDeque<Runnable>();    
    final Executor executor;    
    Runnable active;    

    SerialExecutor(Executor executor) {    
        this.executor = executor;    
    }    

    public synchronized void execute(final Runnable r) {    
        tasks.offer(new Runnable() {    
            public void run() {    
                try {    
                    r.run();    
                } finally {    
                    scheduleNext();    
                }    
            }    
        });    
        if (active == null) {    
            scheduleNext();    
        }    
    }    

    protected synchronized void scheduleNext() {    
        if ((active = tasks.poll()) != null) {    
            executor.execute(active);    
        }    
    }    
}    

5、ThreadPoolExecutor类提供了一个可供可扩展的线程池实现。Executors类为Executor接口及其实现提供了便捷的工厂方法。

6、 Executor中的方法execute。void execute(Runnable command)表示在未来的某个时间执行给定的命令。该命令可能在新的线程、已经入池的线程或者正在调用的线程中执行。

三、Executors类: 主要用于提供线程池相关的操作

Executors类,提供了一系列工厂方法用于创建线程池,返回的线程池都实现了ExecutorService接口。

1、 创建固定数目线程的线程池。

public static ExecutorService newFiexedThreadPool(int Threads)

2、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)。如果没有可用的线程,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 newCachedThreadPool():

3、创建一个单线程化的Executor。

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor():

4、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。

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize);

四、ExecutorService与生命周期

1、ExecutorService可以理解为程序员提供了一堆操作Executor的API

2、ExecutorService扩展了Executor并添加了一些生命周期管理的方法。一个Executor的生命周期有三种状态

运行、关闭和终止。

​ Executor创建时处于运行状态。当调用ExecutorService.shutdown()后,处于关闭状态,isShutdown()方法返回true。这时,不应该再向Executor中添加任务,所有已添加的任务执行完毕后,Executor处于终止状态,isTerminated()返回true。如果Exescutor处于关闭状态,往Executor提交任务会抛出unchecked exception RejectedExecutionException

3、本质

​ 接口ExecutorService 表述了异步执行的机制,并且可以让任务在后台执行。一个ExecutorService 实例因此特别像一个线程池。事实上,在 java.util.concurrent 包中的 ExecutorService 的实现就是一个线程池的实现。

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);  

executorService.execute(new Runnable() {  
    public void run() {  
        System.out.println("Asynchronous task");  
    }  
});  

executorService.shutdown();  

该示例代码首先使用 newFixedThreadPool()工厂方法创建一个ExecutorService ,上述代码创建了一个可以容纳10个线程任务的线程池。其次,向 execute() 方法中传递一个异步的 Runnable 接口的实现,这样做会让 ExecutorService 中的某个线程执行这个Runnable 线程。

4、任务的委托

下方展示了一个线程的把任务委托异步执行的ExecutorService的示意图。

img

一旦线程把任务委托给 ExecutorService,该线程就会继续执行与运行任务无关的其它任务。

5、ExecutorService 的实现

由于 ExecutorService 只是一个接口,ExecutorService 接口在 java.util.concurrent 包中有如下实现类:

6、ExecutorService 使用方法

这里有几种不同的方式让你将任务委托给一个ExecutorService:

execute(Runnable)  
submit(Runnable)  
submit(Callable)  
invokeAny()  
invokeAll()  

7、execute(Runnable)

方法 execute(Runnable) 接收一个java.lang.Runnable 对象作为参数,并且以异步的方式执行它。如下是一个使用 ExecutorService 执行 Runnable 的例子:

ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();  

executorService.execute(new Runnable() {  
    public void run() {  
        System.out.println("Asynchronous task");  
    }  
});  
executorService.shutdown(); 

使用这种方式没有办法获取执行 Runnable 之后的结果,如果你希望获取运行之后的返回值,就必须使用接收 Callable 参数的 execute() 方法。接下来会提到。

8、submit(Runnable)

方法 submit(Runnable) 同样接收一个Runnable 的实现作为参数,但是会返回一个Future 对象。这个Future 对象可以用于判断 Runnable 是否结束执行。如下是一个ExecutorService 的 submit() 方法的例子:

Future future = executorService.submit(new Runnable() {  
    public void run() {  
        System.out.println("Asynchronous task");  
    }  
});  
//如果任务结束执行则返回 null  
System.out.println("future.get()=" + future.get()); 

9、submit(Callable)

方法 submit(Callable) 和方法 submit(Runnable) 比较类似,但是区别则在于它们接收不同的参数类型。Callable 的实例与 Runnable 的实例很类似,但是 Callable 的 call() 方法可以返回一个结果。方法 Runnable.run() 则不能返回结果。

Callable 的返回值可以从方法 submit(Callable) 返回的 Future 对象中获取。如下是一个 ExecutorService Callable 的样例:

Future future = executorService.submit(new Callable(){  
    public Object call() throws Exception {  
        System.out.println("Asynchronous Callable");  
        return "Callable Result";  
    }  
});  

System.out.println("future.get() = " + future.get());  

上述样例代码会输出如下结果:

Asynchronous Callable  
future.get() = Callable Result  

10、inVokeAny()

方法 invokeAny() 接收一个包含 Callable 对象的集合作为参数。调用该方法不会返回 Future 对象,而是返回集合中某一个Callable 对象的结果,而且无法保证调用之后返回的结果是哪一个 Callable,只知道它是这些 Callable 中一个执行结束的 Callable 对象。如果一个任务运行完毕或者抛出异常,方法会取消其它的 Callable 的执行。
以下是一个样例:

ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();  

Set<Callable<String>> callables = new HashSet<Callable<String>>();  

callables.add(new Callable<String>() {  
    public String call() throws Exception {  
        return "Task 1";  
    }  
});  
callables.add(new Callable<String>() {  
    public String call() throws Exception {  
        return "Task 2";  
    }  
});  
callables.add(new Callable<String>() {  
    public String call() throws Exception {  
        return "Task 3";  
    }  
});  

String result = executorService.invokeAny(callables);  

System.out.println("result = " + result);  

executorService.shutdown(); 

以上样例代码会打印出在给定的集合中的某一个Callable 的返回结果。尝试运行后发现每次结果都在改变。有时候返回结果是”Task 1″,有时候是”Task 2″,等等。

11、invokeAll()

方法 invokeAll() 会调用存在于参数集合中的所有 Callable 对象,并且返回一个包含 Future 对象的集合,你可以通过这个返回的集合来管理每个 Callable 的执行结果。需要注意的是,任务有可能因为异常而导致运行结束,所以它可能并不是真的成功运行了。但是我们没有办法通过 Future 对象来了解到这个差异。

12、ExecutorService服务的关闭

​ 当使用 ExecutorService 完毕之后,我们应该关闭它,这样才能保证线程不会继续保持运行状态。
举例来说,如果你的程序通过 main() 方法启动,并且主线程退出了你的程序,如果还有一个活动的 ExecutorService 存在于程序中,那么程序将会继续保持运行状态。存在于 ExecutorService 中的活动线程会阻止Java虚拟机关闭。
为了关闭在 ExecutorService 中的线程,需要调用 shutdown() 方法。但ExecutorService 并不会马上关闭,而是不再接收新的任务,一旦所有的线程结束执行当前任务,ExecutorServie 才会真的关闭。 所有在调用 shutdown() 方法之前提交到 ExecutorService 的任务都会执行.

如果你希望立即关闭 ExecutorService,你可以调用 shutdownNow() 方法。这个方法会尝试马上关闭所有正在执行的任务,并且跳过所有已经提交但是还没有运行的任务。但是对于正在执行的任务,是否能够成功关闭它是无法保证的,有可能他们真的被关闭掉了,也有可能它会一直执行到任务结束。这是一个最好的尝试。

五、CompletionService

​ 根据上面的介绍我们知道,现在在Java中使用多线程通常不会再使用Thread对象了。而是会用到java.util.concurrent包下的ExecutorService来初始化一个线程池供我们使用。使用ExecutorService类的时候,我们常维护一个list保存submit的callable task所返回的Future对象。然后在主线程中遍历这个list并调用Future的get()方法取到Task的返回值。

​ 其实除了使用ExecutorService外,还可通过CompletionService包装ExecutorService,然后调用其take()方法去取Future对象。

CompletionService和ExecutorService的主要的区别在于submit的task不一定是按照加入自己维护的list顺序完成的。

​ ExecutorService中从list中遍历的每个Future对象并不一定处于完成状态,这时调用get()方法就会被阻塞住,如果系统是设计成每个线程完成后就能根据其结果继续做后面的事,这样对于处于list后面的但是先完成的线程就会增加了额外的等待时间。

​ 而CompletionService的实现是维护一个保存Future对象的BlockingQueue。只有当这个Future对象状态是结束的时候,才会加入到这个Queue中,take()方法其实就是Producer-Consumer中的Consumer。它会从Queue中取出Future对象,如果Queue是空的,就会阻塞在那里,直到有完成的Future对象加入到Queue中。所以,先完成的必定先被取出。这样就减少了不必要的等待时间。

六、使用Callable,Future返回结果

​ Future代表一个异步执行的操作,通过get()方法可以获得操作的结果,如果异步操作还没有完成,则,get()会使当前线程阻塞。FutureTask实现了Future和Runable。Callable代表一个有返回值的操作。

Callable<Integer> func = new Callable<Integer>(){  
    public Integer call() throws Exception {  
        System.out.println("inside callable");  
        Thread.sleep(1000);  
        return new Integer(8);  
    }         
};        
FutureTask<Integer> futureTask  = new FutureTask<Integer>(func);  
Thread newThread = new Thread(futureTask);  
newThread.start();  

try {  
    System.out.println("blocking here");  
    Integer result = futureTask.get();  
    System.out.println(result);  
} catch (InterruptedException ignored) {  
} catch (ExecutionException ignored) {  
} 

ExecutoreService提供了submit()方法,传递一个Callable,或Runnable,返回Future。如果Executor后台线程池还没有完成Callable的计算,则调用返回Future对象的get()方法,会阻塞直到计算完成。

​ Java5以后可以利用Future来跟踪异步计算的结果。在此之前主线程要想获得工作线程(异步计算线程)的结果是比较麻烦的事情,需要我们进行特殊的程序结构设计,比较繁琐而且容易出错。有了Future我们就可以设计出比较优雅的异步计算程序结构模型:根据分而治之的思想,我们可以把异步计算的线程按照职责分为3类:

​ 1. 异步计算的发起线程(控制线程):负责异步计算任务的分解和发起,把分解好的任务交给异步计算的work线程去执行,发起异步计算后,发起线程可以获得Futrue的集合,从而可以跟踪异步计算结果

​ 2. 异步计算work线程:负责具体的计算任务

​ 3. 异步计算结果收集线程:从发起线程那里获得Future的集合,并负责监控Future的状态,根据Future的状态来处理异步计算的结果。

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