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[Java教程]Java Executor并发框架(一)


一、概述

Java是天生就支持并发的语言,支持并发意味着多线程,线程的频繁创建在高并发及大数据量是非常消耗资源的,因为java提供了线程池。在jdk1.5以前的版本中,线程池的使用是及其简陋的,但是在JDK1.5后,有了很大的改善。JDK1.5之后加入了java.util.concurrent包,java.util.concurrent包的加入给予开发人员开发并发程序以及解决并发问题很大的帮助。这篇文章主要介绍下并发包下的Executor接口,Executor接口虽然作为一个非常旧的接口(JDK1.5 2004年发布),但是很多程序员对于其中的一些原理还是不熟悉,因此写这篇文章来介绍下Executor接口,同时巩固下自己的知识。如果文章中有出现错误,欢迎大家指出。

二、Executors工厂类

对于数据库连接,我们经常听到数据库连接池这个概念。因为建立数据库连接时非常耗时的一个操作,其中涉及到网络IO的一些操作。因此就想出把连接通过一个连接池来管理。需要连接的话,就从连接池里取一个。当使用完了,就“关闭”连接,这不是正在意义上的关闭,只是把连接放回到我们的池里,供其他人在使用。所以对于线程,也有了线程池这个概念,其中的原理和数据库连接池是差不多的,因此java jdk中也提供了线程池的功能。

线程池的作用:线程池就是限制系统中使用线程的数量以及更好的使用线程

    根据系统的运行情况,可以自动或手动设置线程数量,达到运行的最佳效果:配置少了,将影响系统的执行效率,配置多了,又会浪费系统的资源。用线程池配置数量,其他线程排队等候。当一个任务执行完毕后,就从队列中取一个新任务运行,如果没有新任务,那么这个线程将等待。如果来了一个新任务,但是没有空闲线程的话,那么把任务加入到等待队列中。

为什么要用线程池:

  1. 减少线程创建和销毁的次数,使线程可以多次复用
  2. 可以根据系统情况,调整线程的数量。防止创建过多的线程,消耗过多的内存(每个线程1M左右)

Java里面线程池的顶级接口是Executor,但是严格意义上讲Executor并不是一个线程池,而只是一个执行线程的工具。真正的线程池接口是ExecutorService。Executors类,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。

比较重要的几个类:

ExecutorService

真正的线程池接口。

ScheduledExecutorService

能和Timer/TimerTask类似,解决那些需要任务重复执行的问题。

ThreadPoolExecutor

ExecutorService的默认实现。

ScheduledThreadPoolExecutor

继承ThreadPoolExecutor的ScheduledExecutorService接口实现,周期性任务调度的类实现。

要配置一个线程池是比较复杂的,尤其是对于线程池的原理不是很清楚的情况下,很有可能配置的线程池不是较优的,因此在Executors类里面提供了一些静态工厂,生成一些常用的线程池。

1. newSingleThreadExecutor

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor()public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory)

 

创建一个单线程的线程池。这个线程池只有一个线程在工作,也就是相当于单线程串行执行所有任务。如果这个唯一的线程因为异常结束,那么会有一个新的线程来替代它。此线程池保证所有任务的执行顺序按照任务的提交顺序执行。

2. newFixedThreadPool

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory)

 

创建固定大小的线程池。每次提交一个任务就创建一个线程,直到线程达到线程池的最大大小。线程池的大小一旦达到最大值就会保持不变,在提交新任务,任务将会进入等待队列中等待。如果某个线程因为执行异常而结束,那么线程池会补充一个新线程。

3. newCachedThreadPool

public static ExecutorService newCachedThreadPool()public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory)

 

创建一个可缓存的线程池。如果线程池的大小超过了处理任务所需要的线程,

那么就会回收部分空闲(60秒处于等待任务到来)的线程,当任务数增加时,此线程池又可以智能的添加新线程来处理任务。此线程池的最大值是Integer的最大值(2^31-1)。

4. newScheduledThreadPool

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory)

 

创建一个大小无限的线程池。此线程池支持定时以及周期性执行任务的需求。

 

实例:

注:使用了java8的lambda表达式以及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(); } } }}

 

输出结果:

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

 

线程名都一样,说明是同一个线程

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...     }}

 

输出结果:

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

 

只创建了三个线程

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... }}

 

输出结果:

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

 

创建了6个线程

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  }}

 

输出结果:

145796717773514579671797361457967181735

 

三:ThreadPoolExecutor详解

java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor类是线程池中最核心的一个类,因此如果要透彻地了解Java中的线程池,必须先了解这个类。下面我们来看一下ThreadPoolExecutor类的具体实现源码。

  在ThreadPoolExecutor类中提供了四个构造方法:

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);  ...}

 

从上面的代码可以得知,ThreadPoolExecutor继承了AbstractExecutorService类,并提供了四个构造器,事实上,通过观察每个构造器的源码具体实现,发现前面三个构造器都是调用的第四个构造器进行的初始化工作。

ThreadPoolExecutor的完整构造方法的签名是:

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

 

  • corePoolSize:核心池的大小,这个参数跟后面讲述的线程池的实现原理有非常大的关系。在创建了线程池后,默认情况下,线程池中并没有 任何线程,而是等待有任务到来才创建线程去执行任务,除非调用了prestartAllCoreThreads()或者 prestartCoreThread()方法,从这2个方法的名字就可以看出,是预创建线程的意思,即在没有任务到来之前就创建 corePoolSize个线程或者一个线程。默认情况下,在创建了线程池后,线程池中的线程数为0,当有任务来之后,就会创建一个线程去执行任务,当线 程池中的线程数目达到corePoolSize后,就会把到达的任务放到缓存队列当中;
  • maximumPoolSize:线程池最大线程数,这个参数也是一个非常重要的参数,它表示在线程池中最多能创建多少个线程;
  • keepAliveTime:表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。默认情况下,只有当线程池中的线程数大于corePoolSize 时,keepAliveTime才会起作用,直到线程池中的线程数不大于corePoolSize。即当线程池中的线程数大于corePoolSize 时,如果一个线程空闲的时间达到keepAliveTime,则会终止,直到线程池中的线程数不超过corePoolSize。但是如果调用了 allowCoreThreadTimeOut(boolean)方法,在线程池中的线程数不大于corePoolSize 时,keepAliveTime参数也会起作用,直到线程池中的线程数为0;
  • unit:参数keepAliveTime的时间单位,有7种取值,在TimeUnit类中有7种静态属性:
TimeUnit.DAYS;        //天TimeUnit.HOURS;       //小时TimeUnit.MINUTES;      //分钟TimeUnit.SECONDS;      //秒TimeUnit.MILLISECONDS;   //毫秒TimeUnit.MICROSECONDS;   //微妙TimeUnit.NANOSECONDS;    //纳秒

  • workQueue:一个阻塞队列,用来存储等待执行的任务,这个参数的选择也很重要,会对线程池的运行过程产生重大影响,一般来说,这里的阻塞队列有以下几种选择:
    ArrayBlockingQueue; //有界队列LinkedBlockingQueue; //无界队列SynchronousQueue; //特殊的一个队列,只有存在等待取出的线程时才能加入队列,可以说容量为0,是无界队列

     ArrayBlockingQueue和PriorityBlockingQueue使用较少,一般使用LinkedBlockingQueue和Synchronous。线程池的排队策略与BlockingQueue有关。

  • threadFactory:线程工厂,主要用来创建线程;
  • handler:表示当拒绝处理任务时的策略,有以下四种取值:
    ThreadPoolExecutor.AbortPolicy:丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。 ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy:也是丢弃任务,但是不抛出异常。 ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy:丢弃队列最前面的任务,然后重新尝试执行任务(重复此过程)ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy:由调用线程处理该任务 

     

    ThreadPoolExecutorExecutors类的底层实现。

    在JDK帮助文档中,有如此一段话:

    “强烈建议程序员使用较为方便的 Executors 工厂方法 Executors.newCachedThreadPool()(无界线程池,可以进行自动线程回收)、Executors.newFixedThreadPool(int)(固定大小线程池)Executors.newSingleThreadExecutor()(单个后台线程)

    它们均为大多数使用场景预定义了设置。”

    下面介绍一下几个类的源码:

    ExecutorService   newFixedThreadPool (int nThreads):固定大小线程池。

    可以看到,corePoolSize和maximumPoolSize的大小是一样的(实际上,后面会介绍,如果使用无界queue的话 maximumPoolSize参数是没有意义的),keepAliveTime和unit的设值表明什么?-就是该实现不想keep alive!最后的BlockingQueue选择了LinkedBlockingQueue,该queue有一个特点,他是无界的。

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

  ExecutorService   newSingleThreadExecutor():单线程

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

ExecutorService newCachedThreadPool():无界线程池,可以进行自动线程回收

这个实现就有意思了。首先是无界的线程池,所以我们可以发现maximumPoolSize为big big。其次BlockingQueue的选择上使用SynchronousQueue。可能对于该BlockingQueue有些陌生,简单说:该 QUEUE中,每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作。

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

 

从上面给出的ThreadPoolExecutor类的代码可以知道,ThreadPoolExecutor继承了AbstractExecutorService,AbstractExecutorService是一个抽象类,它实现了ExecutorService接口。

public abstract class AbstractExecutorService implements ExecutorService 

 

 而ExecutorService又是继承了Executor接口

 

public interface ExecutorService extends Executor 

 

 

我们看一下Executor接口的实现:

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

 

到这里,大家应该明白了ThreadPoolExecutor、AbstractExecutorService、ExecutorService和Executor几个之间的关系了。

  Executor是一个顶层接口,在它里面只声明了一个方法execute(Runnable),返回值为void,参数为Runnable类型,从字面意思可以理解,就是用来执行传进去的任务的;

  然后ExecutorService接口继承了Executor接口,并声明了一些方法:submit、invokeAll、invokeAny以及shutDown等;

  抽象类AbstractExecutorService实现了ExecutorService接口,基本实现了ExecutorService中声明的所有方法;

  然后ThreadPoolExecutor继承了类AbstractExecutorService。

  在ThreadPoolExecutor类中有几个非常重要的方法:

public void execute(Runnable command)public <T> Future<T> submit(Callable<T> task)public void shutdown()public List<Runnable> shutdownNow() //返回未执行的任务

execute()方法实际上是Executor中声明的方法,在ThreadPoolExecutor进行了具体的实现,这个方法是ThreadPoolExecutor的核心方法,通过这个方法可以向线程池提交一个任务,交由线程池去执行。

  submit()方法是在ExecutorService中声明的方法,在AbstractExecutorService就已经有了具体的实现,在ThreadPoolExecutor中 并没有对其进行重写,这个方法也是用来向线程池提交任务的,但是它和execute()方法不同,它能够返回任务执行的结果,去看submit()方法的 实现,会发现它实际上还是调用的execute()方法,只不过它利用了Future来获取任务执行结果(Future相关内容将在下一篇讲述)。

  shutdown()和shutdownNow()是用来关闭线程池的。