Java并发编程，Executor 框架介绍

Wesley13
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前面详细通过源码解释了ThreadPoolExecutor类的运行原理，本篇文章来说一下Executor的框架组成。

Java的线程既是工作单元也是执行单元，从JDK5开始，把工作单元与执行机制分离开来，工作单元包括Runnable和Callable,而执行机制由Executor框架提供。Executor作为一个灵活且强大的异步执行框架，其支持多种不同类型的任务执行策略，提供了一种标准的方法将任务的提交过程和执行过程进行了解耦开发，基于生产者和消费者模型，还提供了对生命周期的支持，以及统计信息收集，应用程序管理机制和性能检测等机制。

Executor框架的结构

Executor框架主要由3大部分组成如下：

  • 任务 ：执行任务需要实现的接口：Runnable | Callable 接口
  • 任务的执行： 任何执行机制的核心接口是Executor，以及继承了Executor接口的ExecutorService接口，主要的执行者是实现了Executor接口的两个实现类 ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor.
  • 异步计算的结果： 包括接口Future和实现Future接口的FutureTask类。

Executor框架包含的主要类和接口，如下图：

Java并发编程，Executor 框架介绍

Executor执行流程如下：

Java并发编程，Executor 框架介绍

首先主线程创建任务，任务需要实现Runnable或者Callable接口，然后执行execute()方法或者submit方法，提交到线程池中。 如果任务实现的是Runnable接口，线程池运行完任务后就结束了，如果任务实现的Callable接口，则需要将任务执行的接口返回，主线程通过get()或者cancle()方法获取任务的返回值，或者取消执行任务。

上面梳理类Executor框架的主要类和接口，下面对主要的类和接口做一个解释：

  • Executor：它是一个接口，也是整个Executor框架的基础，只定义了一个方法execute() ,接受Runnable类型的参数。 作用是将任务的提交和任务的执行分离了出来。
  • ThreadPoolExector ：是线程池的核心用来执行提交的任务。
  • ScheduledThreadPoolExector：继承了ThreadPoolExector类，实现了ScheduledExecutorService接口，可以执行定时任务，在给定的延迟后运行命令，或者周期性运行命令。
  • FutureTask：代表异步运算执行的结果
  • Runnable和Callable接口的实现类，代表需要执行的任务

Executor框架的主要成员

ThreadPoolExecutor , ScheduledThreadPoolExecutor,Future接口，Runnable接口，Callable接口和Executors是Executor框架的主要成员，下面进行具体的分析：

ThreadPoolExector 通常使用工厂类Executors类创建，可以创建如下3中类型：

  • SingleThreadPoolExector：创建使用单线程数量的线程池，适用于保证顺序地执行各个任务，并且在任意时间点，不会有多个活动的应用场景
  • FixedThreadPoolExecutor：创建固定线程数量的线程池，适用于满足资源管理的需求，而需要限制当前线程数量的应用场景，它适用于负载比较重的服务器。
  • CachedThreadPoolExecutor：根据需要创建新线程的线程池，大小无界的线程池，适用于执行很多短期异步任务的小程序，或者负载比较轻的服务器。

ScheduledThreadPoolExecutor

  • ScheduledThreadPoolExecutor：包含若干个线程。需要多个后台线程执行周期任务，同时为了满足资源管理的需求而需要限制后台线程的数量的应用场景。
  • SingleThreadScheduledExecutor：只包含一个线程。需要单个后台线程周期性的执行任务，同时需要保证顺序的执行各个人物的应用场景。

Future接口

  • 实现Future接口和实现Future接口的FutureTask类用来表示异步计算的结果。

Runnable和Callable接口

  • 实现两个接口的实现类，都可以被线程池执行。Runnable和Callable两个接口的区别是前者不会返回结果后者会返回结果。

Java通过Executors提供四种线程池，分别为：

  • newCachedThreadPool 创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。
  • newFixedThreadPool 创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。
  • newScheduledThreadPool 创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。
  • newSingleThreadExecutor 创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。

(1) newCachedThreadPool
创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。示例代码如下：

import java.util.concurrent.ExecutorService;  
import java.util.concurrent.Executors;  
public class ThreadPoolExecutorTest {  
 public static void main(String[] args) {  
  ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();  
  for (int i = 0; i < 10; i++) {  
   final int index = i;  
   try {  
    Thread.sleep(index * 1000);  
   } catch (InterruptedException e) {  
    e.printStackTrace();  
   }  
   cachedThreadPool.execute(new Runnable() {  
    public void run() {  
     System.out.println(index);  
    }  
   });  
  }  
 }  
}

线程池为无限大，当执行第二个任务时第一个任务已经完成，会复用执行第一个任务的线程，而不用每次新建线程。

(2) newFixedThreadPool（项目用过）
创建一个定长线程池，可控制线程最大并发数，超出的线程会在队列中等待。示例代码如下：

import java.util.concurrent.ExecutorService;  
import java.util.concurrent.Executors;  
public class ThreadPoolExecutorTest {  
 public static void main(String[] args) {  
  ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);  
  for (int i = 0; i < 10; i++) {  
   final int index = i;  
   fixedThreadPool.execute(new Runnable() {  
    public void run() {  
     try {  
      System.out.println(index);  
      Thread.sleep(2000);  
     } catch (InterruptedException e) {  
      e.printStackTrace();  
     }  
    }  
   });  
  }  
 }  
}

因为线程池大小为3，每个任务输出index后sleep 2秒，所以每两秒打印3个数字。
定长线程池的大小最好根据系统资源进行设置。如Runtime.getRuntime().availableProcessors()

(3)  newScheduledThreadPool
创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行。延迟执行示例代码如下：

import java.util.concurrent.Executors;  
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;  
import java.util.concurrent.TimeUnit;  
public class ThreadPoolExecutorTest {  
 public static void main(String[] args) {  
  ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);  
  scheduledThreadPool.schedule(new Runnable() {  
   public void run() {  
    System.out.println("delay 3 seconds");  
   }  
  }, 3, TimeUnit.SECONDS);  
 }  
}

表示延迟3秒执行。

定期执行示例代码如下：

import java.util.concurrent.Executors;  
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;  
import java.util.concurrent.TimeUnit;  
public class ThreadPoolExecutorTest {  
 public static void main(String[] args) {  
  ScheduledExecutorService scheduledThreadPool = Executors.newScheduledThreadPool(5);  
  scheduledThreadPool.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {  
   public void run() {  
    System.out.println("delay 1 seconds, and excute every 3 seconds");  
   }  
  }, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);  
 }  
}

表示延迟1秒后每3秒执行一次。

(4) newSingleThreadExecutor
创建一个单线程化的线程池，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO, LIFO, 优先级)执行。示例代码如下：

import java.util.concurrent.ExecutorService;  
import java.util.concurrent.Executors;  
public class ThreadPoolExecutorTest {  
 public static void main(String[] args) {  
  ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();  
  for (int i = 0; i < 10; i++) {  
   final int index = i;  
   singleThreadExecutor.execute(new Runnable() {  
    public void run() {  
     try {  
      System.out.println(index);  
      Thread.sleep(2000);  
     } catch (InterruptedException e) {  
      e.printStackTrace();  
     }  
    }  
   });  
  }  
 }  
}

结果依次输出，相当于顺序执行各个任务。

你可以使用JDK自带的监控工具来监控我们创建的线程数量，运行一个不终止的线程，创建指定量的线程，来观察：

工具目录：C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_06\bin\jconsole.exe
运行程序做稍微修改：

import java.util.concurrent.ExecutorService;  
import java.util.concurrent.Executors;  
public class ThreadPoolExecutorTest {  
 public static void main(String[] args) {  
  ExecutorService singleThreadExecutor = Executors.newCachedThreadPool();  
  for (int i = 0; i < 100; i++) {  
   final int index = i;  
   singleThreadExecutor.execute(new Runnable() {  
    public void run() {  
     try {  
      while(true) {  
       System.out.println(index);  
       Thread.sleep(10 * 1000);  
      }  
     } catch (InterruptedException e) {  
      e.printStackTrace();  
     }  
    }  
   });  
   try {  
    Thread.sleep(500);  
   } catch (InterruptedException e) {  
    e.printStackTrace();  
   }  
  }  
 }  
}

效果如下：

Java并发编程，Executor 框架介绍

选择我们运行的程序：

Java并发编程，Executor 框架介绍

监控运行状态

参考：
书籍：《JAVA并发编程艺术》

线程池executorJavaJava
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