并发编程 ：Concurrent 用户指南 ( 中 )

于 2018-01-11 12:29:58 发布
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分类专栏： java 系统设计 文章标签： 线程池

并发编程 ：Concurrent 用户指南 ( 中 )
2017-09-04 ImportNew

来源：高广超，
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执行器服务 ExecutorService

java.util.concurrent.ExecutorService 接口表示一个异步执行机制，使我们能够在后台执行任务。因此一个 ExecutorService 很类似于一个线程池。实际上，存在于 java.util.concurrent 包里的 ExecutorService 实现就是一个线程池实现。

ExecutorService 例子

以下是一个简单的 ExecutorService 例子：

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);  

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

executorService.shutdown();

首先使用 newFixedThreadPool() 工厂方法创建一个 ExecutorService。这里创建了一个十个线程执行任务的线程池。然后，将一个 Runnable 接口的匿名实现类传递给 execute() 方法。这将导致 ExecutorService 中的某个线程执行该 Runnable。

任务委派

下图说明了一个线程是如何将一个任务委托给一个 ExecutorService 去异步执行的：
这里写图片描述

一个线程将一个任务委派给一个 ExecutorService 去异步执行。

一旦该线程将任务委派给 ExecutorService，该线程将继续它自己的执行，独立于该任务的执行。

ExecutorService 实现

既然 ExecutorService 是个接口，如果你想用它的话就得去使用它的实现类之一。

java.util.concurrent 包提供了 ExecutorService 接口的以下实现类：

ThreadPoolExecutor
ScheduledThreadPoolExecutor

创建一个 ExecutorService

ExecutorService 的创建依赖于你使用的具体实现。但是你也可以使用 Executors 工厂类来创建 ExecutorService 实例。

以下是几个创建 ExecutorService 实例的例子：

ExecutorService executorService1 = Executors.newSingleThreadExecutor();  

ExecutorService executorService2 = Executors.newFixedThreadPool(10);  

ExecutorService executorService3 = Executors.newScheduledThreadPool(10);

ExecutorService 使用

有几种不同的方式来将任务委托给 ExecutorService 去执行：

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

接下来我们挨个看一下这些方法。

execute(Runnable)

execute(Runnable) 方法要求一个 java.lang.Runnable 对象，然后对它进行异步执行。以下是使用 ExecutorService 执行一个 Runnable 的示例：

ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();  

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

executorService.shutdown();

没有办法得知被执行的 Runnable 的执行结果。如果有需要的话你得使用一个 Callable(以下将做介绍)。

submit(Runnable)

submit(Runnable) 方法也要求一个 Runnable 实现类，但它返回一个 Future 对象。这个 Future 对象可以用来检查 Runnable 是否已经执行完毕。以下是 ExecutorService submit() 示例：
···java
Future future = executorService.submit(new Runnable() {
public void run() {
System.out.println(“Asynchronous task”);
}
});

future.get(); //returns null if the task has finished correctly.

submit(Callable)
···
submit(Callable) 方法类似于 submit(Runnable) 方法，除了它所要求的参数类型之外。Callable 实例除了它的 call() 方法能够返回一个结果之外和一个 Runnable 很相像。Runnable.run() 不能够返回一个结果。Callable 的结果可以通过 submit(Callable) 方法返回的 Future 对象进行获取。

以下是一个 ExecutorService Callable 示例：

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());

以上代码输出：

Asynchronous Callable
future.get() = Callable Result

invokeAny()

invokeAny() 方法要求一系列的 Callable 或者其子接口的实例对象。调用这个方法并不会返回一个 Future，但它返回其中一个 Callable 对象的结果。无法保证返回的是哪个 Callable 的结果 – 只能表明其中一个已执行结束。

如果其中一个任务执行结束(或者抛了一个异常)，其他 Callable 将被取消。以下是示例代码：

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();

上述代码将会打印出给定 Callable 集合中的一个的执行结果。我自己试着执行了它几次，结果始终在变。有时是 “Task 1″，有时是 “Task 2″ 等等。

invokeAll()

invokeAll() 方法将调用你在集合中传给 ExecutorService 的所有 Callable 对象。invokeAll() 返回一系列的 Future 对象，通过它们你可以获取每个 Callable 的执行结果。记住，一个任务可能会由于一个异常而结束，因此它可能没有 “成功”。

无法通过一个 Future 对象来告知我们是两种结束中的哪一种。以下是一个代码示例：

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";  
    }  
});  

List<Future<String>> futures = executorService.invokeAll(callables);  

for(Future<String> future : futures){  
    System.out.println("future.get = " + future.get());  
}  

executorService.shutdown();

ExecutorService 关闭

使用完 ExecutorService 之后你应该将其关闭，以使其中的线程不再运行。

比如，如果你的应用是通过一个 main() 方法启动的，之后 main 方法退出了你的应用，如果你的应用有一个活动的 ExexutorService 它将还会保持运行。ExecutorService 里的活动线程阻止了 JVM 的关闭。

要终止 ExecutorService 里的线程你需要调用 ExecutorService 的 shutdown() 方法。ExecutorService 并不会立即关闭，但它将不再接受新的任务，而且一旦所有线程都完成了当前任务的时候，ExecutorService 将会关闭。在 shutdown() 被调用之前所有提交给 ExecutorService 的任务都被执行。如果你想要立即关闭 ExecutorService，你可以调用 shutdownNow() 方法。这样会立即尝试停止所有执行中的任务，并忽略掉那些已提交但尚未开始处理的任务。无法担保执行任务的正确执行。可能它们被停止了，也可能已经执行结束。

线程池执行者 ThreadPoolExecutor

java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor 是 ExecutorService 接口的一个实现。ThreadPoolExecutor 使用其内部池中的线程执行给定任务(Callable 或者 Runnable)。

ThreadPoolExecutor 包含的线程池能够包含不同数量的线程。池中线程的数量由以下变量决定：

corePoolSize
maximumPoolSize

当一个任务委托给线程池时，如果池中线程数量低于 corePoolSize，一个新的线程将被创建，即使池中可能尚有空闲线程。如果内部任务队列已满，而且有至少 corePoolSize 正在运行，但是运行线程的数量低于 maximumPoolSize，一个新的线程将被创建去执行该任务。

ThreadPoolExecutor 图解：

这里写图片描述

一个 ThreadPoolExecutor

创建一个 ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor 有若干个可用构造子。比如：

int  corePoolSize  =    5;  
int  maxPoolSize   =   10;  
long keepAliveTime = 5000;  

ExecutorService threadPoolExecutor =  
        new ThreadPoolExecutor(  
                corePoolSize,  
                maxPoolSize,  
                keepAliveTime,  
                TimeUnit.MILLISECONDS,  
                new LinkedBlockingQueue<Runnable>()  
                );

但是，除非你确实需要显式为 ThreadPoolExecutor 定义所有参数，使用 java.util.concurrent.Executors 类中的工厂方法之一会更加方便，正如 ExecutorService 小节所述。

定时执行者服务 ScheduledExecutorService

java.util.concurrent.ScheduledExecutorService 是一个 ExecutorService， 它能够将任务延后执行，或者间隔固定时间多次执行。 任务由一个工作者线程异步执行，而不是由提交任务给 ScheduledExecutorService 的那个线程执行。

ScheduledExecutorService 例子

以下是一个简单的 ScheduledExecutorService 示例：

ScheduledExecutorService scheduledExecutorService =  
        Executors.newScheduledThreadPool(5);  

ScheduledFuture scheduledFuture =  
    scheduledExecutorService.schedule(new Callable() {  
        public Object call() throws Exception {  
            System.out.println("Executed!");  
            return "Called!";  
        }  
    },  
    5,  
    TimeUnit.SECONDS);

首先一个内置 5 个线程的 ScheduledExecutorService 被创建。之后一个 Callable 接口的匿名类示例被创建然后传递给 schedule() 方法。后边的俩参数定义了 Callable 将在 5 秒钟之后被执行。

ScheduledExecutorService 实现

既然 ScheduledExecutorService 是一个接口，你要用它的话就得使用 java.util.concurrent 包里对它的某个实现类。ScheduledExecutorService 具有以下实现类：ScheduledThreadPoolExecutor

创建一个 ScheduledExecutorService
如何创建一个 ScheduledExecutorService 取决于你采用的它的实现类。但是你也可以使用 Executors 工厂类来创建一个 ScheduledExecutorService 实例。比如：

ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = 

    Executors.newScheduledThreadPool(5);

ScheduledExecutorService 使用

一旦你创建了一个 ScheduledExecutorService，你可以通过调用它的以下方法：

schedule (Callable task, long delay, TimeUnit timeunit)
schedule (Runnable task, long delay, TimeUnit timeunit)
scheduleAtFixedRate (Runnable, long initialDelay, long period, TimeUnit timeunit)
scheduleWithFixedDelay (Runnable, long initialDelay, long period, TimeUnit timeunit)

下面我们就简单看一下这些方法。

schedule (Callable task, long delay, TimeUnit timeunit)

这个方法计划指定的 Callable 在给定的延迟之后执行。这个方法返回一个 ScheduledFuture，通过它你可以在它被执行之前对它进行取消，或者在它执行之后获取结果。以下是一个示例：

ScheduledExecutorService scheduledExecutorService =  
        Executors.newScheduledThreadPool(5);  

ScheduledFuture scheduledFuture =  
    scheduledExecutorService.schedule(new Callable() {  
        public Object call() throws Exception {  
            System.out.println("Executed!");  
            return "Called!";  
        }  
    },  
    5,  
    TimeUnit.SECONDS);  

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

scheduledExecutorService.shutdown();

示例输出结果：

Executed!
result = Called!

schedule (Runnable task, long delay, TimeUnit timeunit)

除了 Runnable 无法返回一个结果之外，这一方法工作起来就像以一个 Callable 作为一个参数的那个版本的方法一样，因此 ScheduledFuture.get() 在任务执行结束之后返回 null。

scheduleAtFixedRate (Runnable, long initialDelay, long period, TimeUnit timeunit)

这一方法规划一个任务将被定期执行。该任务将会在首个 initialDelay 之后得到执行，然后每个 period 时间之后重复执行。如果给定任务的执行抛出了异常，该任务将不再执行。如果没有任何异常的话，这个任务将会持续循环执行到 ScheduledExecutorService 被关闭。如果一个任务占用了比计划的时间间隔更长的时候，下一次执行将在当前执行结束执行才开始。计划任务在同一时间不会有多个线程同时执行。

scheduleWithFixedDelay (Runnable, long initialDelay, long period, TimeUnit timeunit)

除了 period 有不同的解释之外这个方法和 scheduleAtFixedRate() 非常像。

scheduleAtFixedRate() 方法中，period 被解释为前一个执行的开始和下一个执行的开始之间的间隔时间。而在本方法中，period 则被解释为前一个执行的结束和下一个执行的结束之间的间隔。因此这个延迟是执行结束之间的间隔，而不是执行开始之间的间隔。

ScheduledExecutorService 关闭

正如 ExecutorService，在你使用结束之后你需要把 ScheduledExecutorService 关闭掉。否则他将导致 JVM 继续运行，即使所有其他线程已经全被关闭。

你可以使用从 ExecutorService 接口继承来的 shutdown() 或 shutdownNow() 方法将 ScheduledExecutorService 关闭。参见 ExecutorService 关闭部分以获取更多信息。

使用 ForkJoinPool 进行分叉和合并

ForkJoinPool 在 Java 7 中被引入。它和 ExecutorService 很相似，除了一点不同。ForkJoinPool 让我们可以很方便地把任务分裂成几个更小的任务，这些分裂出来的任务也将会提交给 ForkJoinPool。任务可以继续分割成更小的子任务，只要它还能分割。可能听起来有些抽象，因此本节中我们将会解释 ForkJoinPool 是如何工作的，还有任务分割是如何进行的。

分叉和合并解释

在我们开始看 ForkJoinPool 之前我们先来简要解释一下分叉和合并的原理。
分叉和合并原理包含两个递归进行的步骤。两个步骤分别是分叉步骤和合并步骤。

分叉

一个使用了分叉和合并原理的任务可以将自己分叉(分割)为更小的子任务，这些子任务可以被并发执行。如下图所示：

这里写图片描述

通过把自己分割成多个子任务，每个子任务可以由不同的 CPU 并行执行，或者被同一个 CPU 上的不同线程执行。只有当给的任务过大，把它分割成几个子任务才有意义。把任务分割成子任务有一定开销，因此对于小型任务，这个分割的消耗可能比每个子任务并发执行的消耗还要大。

什么时候把一个任务分割成子任务是有意义的，这个界限也称作一个阀值。这要看每个任务对有意义阀值的决定。很大程度上取决于它要做的工作的种类。

合并

当一个任务将自己分割成若干子任务之后，该任务将进入等待所有子任务的结束之中。一旦子任务执行结束，该任务可以把所有结果合并到同一个结果。图示如下：

未知.gif

当然，并非所有类型的任务都会返回一个结果。如果这个任务并不返回一个结果，它只需等待所有子任务执行完毕。也就不需要结果的合并啦。

ForkJoinPool

ForkJoinPool 是一个特殊的线程池，它的设计是为了更好的配合 分叉-和-合并 任务分割的工作。ForkJoinPool 也在 java.util.concurrent 包中，其完整类名为 java.util.concurrent.ForkJoinPool。

创建一个 ForkJoinPool

你可以通过其构造子创建一个 ForkJoinPool。作为传递给 ForkJoinPool 构造子的一个参数，你可以定义你期望的并行级别。并行级别表示你想要传递给 ForkJoinPool 的任务所需的线程或 CPU 数量。以下是一个 ForkJoinPool 示例：

ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool(4);

这个示例创建了一个并行级别为 4 的 ForkJoinPool。

提交任务到 ForkJoinPool

就像提交任务到 ExecutorService 那样，把任务提交到 ForkJoinPool。你可以提交两种类型的任务。一种是没有任何返回值的(一个 “行动”)，另一种是有返回值的(一个”任务”)。这两种类型分别由 RecursiveAction 和 RecursiveTask 表示。接下来介绍如何使用这两种类型的任务，以及如何对它们进行提交。

RecursiveAction

RecursiveAction 是一种没有任何返回值的任务。它只是做一些工作，比如写数据到磁盘，然后就退出了。一个 RecursiveAction 可以把自己的工作分割成更小的几块，这样它们可以由独立的线程或者 CPU 执行。你可以通过继承来实现一个 RecursiveAction。示例如下：

import java.util.ArrayList;  
import java.util.List;  
import java.util.concurrent.RecursiveAction;  

public class MyRecursiveAction extends RecursiveAction {  

    private long workLoad = 0;  

    public MyRecursiveAction(long workLoad) {  
        this.workLoad = workLoad;  
    }  

    @Override 
    protected void compute() {  

        //if work is above threshold, break tasks up into smaller tasks  
        if(this.workLoad > 16) {  
            System.out.println("Splitting workLoad : " + this.workLoad);  

            List<MyRecursiveAction> subtasks =  
                new ArrayList<MyRecursiveAction>();  

            subtasks.addAll(createSubtasks());  

            for(RecursiveAction subtask : subtasks){  
                subtask.fork();  
            }  

        } else {  
            System.out.println("Doing workLoad myself: " + this.workLoad);  
        }  
    }  

    private List<MyRecursiveAction> createSubtasks() {  
        List<MyRecursiveAction> subtasks =  
            new ArrayList<MyRecursiveAction>();  

        MyRecursiveAction subtask1 = new MyRecursiveAction(this.workLoad / 2);  
        MyRecursiveAction subtask2 = new MyRecursiveAction(this.workLoad / 2);  

        subtasks.add(subtask1);  
        subtasks.add(subtask2);  

        return subtasks;  
    }  

}

例子很简单。MyRecursiveAction 将一个虚构的 workLoad 作为参数传给自己的构造子。如果 workLoad 高于一个特定阀值，该工作将被分割为几个子工作，子工作继续分割。如果 workLoad 低于特定阀值，该工作将由 MyRecursiveAction 自己执行。你可以这样规划一个 MyRecursiveAction 的执行：

MyRecursiveAction myRecursiveAction = new MyRecursiveAction(24);

forkJoinPool.invoke(myRecursiveAction);

RecursiveTask

RecursiveTask 是一种会返回结果的任务。它可以将自己的工作分割为若干更小任务，并将这些子任务的执行结果合并到一个集体结果。可以有几个水平的分割和合并。以下是一个 RecursiveTask 示例：

import java.util.ArrayList;  
import java.util.List;  
import java.util.concurrent.RecursiveTask;  


public class MyRecursiveTask extends RecursiveTask<Long> {  

    private long workLoad = 0;  

    public MyRecursiveTask(long workLoad) {  
        this.workLoad = workLoad;  
    }  

    protected Long compute() {  

        //if work is above threshold, break tasks up into smaller tasks  
        if(this.workLoad > 16) {  
            System.out.println("Splitting workLoad : " + this.workLoad);  

            List<MyRecursiveTask> subtasks =  
                new ArrayList<MyRecursiveTask>();  
            subtasks.addAll(createSubtasks());  

            for(MyRecursiveTask subtask : subtasks){  
                subtask.fork();  
            }  

            long result = 0;  
            for(MyRecursiveTask subtask : subtasks) {  
                result += subtask.join();  
            }  
            return result;  

        } else {  
            System.out.println("Doing workLoad myself: " + this.workLoad);  
            return workLoad * 3;  
        }  
    }  

    private List<MyRecursiveTask> createSubtasks() {  
        List<MyRecursiveTask> subtasks =  
        new ArrayList<MyRecursiveTask>();  

        MyRecursiveTask subtask1 = new MyRecursiveTask(this.workLoad / 2);  
        MyRecursiveTask subtask2 = new MyRecursiveTask(this.workLoad / 2);  

        subtasks.add(subtask1);  
        subtasks.add(subtask2);  

        return subtasks;  
    }  
}

除了有一个结果返回之外，这个示例和 RecursiveAction 的例子很像。MyRecursiveTask 类继承自 RecursiveTask，这也就意味着它将返回一个 Long 类型的结果。

MyRecursiveTask 示例也会将工作分割为子任务，并通过 fork() 方法对这些子任务计划执行。

此外，本示例还通过调用每个子任务的 join() 方法收集它们返回的结果。子任务的结果随后被合并到一个更大的结果，并最终将其返回。对于不同级别的递归，这种子任务的结果合并可能会发生递归。

你可以这样规划一个 RecursiveTask：

MyRecursiveTask myRecursiveTask = new MyRecursiveTask(128);

long mergedResult = forkJoinPool.invoke(myRecursiveTask);

System.out.println(“mergedResult = ” + mergedResult);

注意是如何通过 ForkJoinPool.invoke() 方法的调用来获取最终执行结果的。

ForkJoinPool 评论

貌似并非每个人都对 Java 7 里的 ForkJoinPool 满意：《一个 Java 分叉-合并 带来的灾祸》。

http://coopsoft.com/ar/CalamityArticle.html

在你计划在自己的项目里使用 ForkJoinPool 之前最好读一下该篇文章。

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