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Java Executor并发框架详解


 

 
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:
 
减少线程创建和销毁的次数,使线程可以多次复用
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
 
复制代码
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();
            }
        }
    }
}
复制代码
 
 
输出结果:
 
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
 
 
线程名都一样,说明是同一个线程
 
2.newFixedThreadPool
 
复制代码
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...
    
    }
}
复制代码
 
 
输出结果:
 
复制代码
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
复制代码
 
 
只创建了三个线程
 
3.newCachedThreadPool
 
复制代码
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... 
    }
}
复制代码
 
 
输出结果:
 
复制代码
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
复制代码
 
 
创建了6个线程
 
4.newScheduledThreadPool
 
复制代码
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
    }
}
复制代码
 
 
输出结果:
 
1457967177735
1457967179736
1457967181735
 
 
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:
 
复制代码
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);
    ...
}
复制代码
 
 
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:
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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
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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 
 
 
ThreadPoolExecutor是Executors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
 
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 public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {   
          return new FinalizableDelegatedExecutorService   
              (new ThreadPoolExecutor(1, 1,   
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,   
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));   
      }
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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:
 
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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
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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。