Java并发篇-全面解析Executor框架

Executor大家族成员

成员分为四个部分：任务、任务执行、任务执行结果以及任务执行工具类

任务：实现Callable接口或Runnable接口

任务执行部分：ThreadPoolExecutor以及ScheduledThreadPoolExecutor

任务执行结果：Future接口以及FutureTask实现类

任务执行工厂类：Executors

任务执行框架

ThreadPoolExecutor（核心）

ThreadPoolExecutor通常使用Executors进行创建，其内部含有三种线程池：

1. FixedThreadPool：含有固定线程数的线程池。

2. SingleThreadExecutor：单线程的线程池，需要保证任务顺序执行时采用。

3. CachedThreadPool：大小无界的线程池，只要需要线程就可以一直创建线程。

ScheduledThreadPoolExecutor

ScheduledThreadPoolExecutor通常使用Executors进行创建，其内部含有两种线程池：

1. ScheduledThreadPoolExecutor：含有固定线程数的定时任务线程池
2. SingleThreadScheduledExecutor：只包含一个线程数的定时任务线程池，需要保证任务顺序执行时采用。

任务执行结果

提交任务给任务执行框架执行后，任务执行框架会返回一个Future接口类型的对象，该对象内部包含了任务执行结果信息。

<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
Future<> submit(Runnable task)
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在JDK1.8返回的是FutureTask对象，但不一定返回的就是FutureTask对象，只保证返回Future接口。

任务

实现Runnable或Callable均可被任务执行框架执行，它们之间的区别是实现Runnable的任务执行完成后不会返回结果，而实现Callable接口的任务可以返回结果。

返回结果为null的封装（没有什么意义）

public static Callable<Object> callable(Runnable task)
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拥有返回结果的封装

public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result)
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ThreadPoolExecutor

上一篇讲过ThreadPoolExecutor构造函数中的参数含义，这里不再赘述，如果忘记了或者还没阅读过，可以先去了解一下，两篇文章是衔接的：juejin.im/post/5e9c45…

主要参数有4个：

1. corePolSize：核心线程池大小
2. maximumPoolSize：最大线程池大小
3. BlockingQueue：存储未执行任务的阻塞队列
4. RejectedExecutionHandler：任务无法被执行时的拒绝策略

FixedThreadPool详解

fixedThreadPool称为可重用固定线程数的线程池，下面是构造该线程池的方法源码：

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

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue) {
    this(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
         Executors.defaultThreadFactory(), defaultHandler);
}
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参数解读

1. corePoolSize和maximumPoolSize都设置为用户传入的nThreads。
2. keepAliveTime设置为0L，代表只要空闲线程闲下来就马上被终止，如果设置为SECONDS > 0，则代表线程空闲下来后等待新任务的最长时间SECONDS。
3. TimeUnit代表keepAliveTime的单位
4. workQueue设置阻塞队列

execute()执行流程

 

 

curThread代表核心线程池的当前线程数

1. 如果 curThread < corPoolSize，那么创建新线程执行任务

2. 如果 curThread = corPoolSize，那么将任务加入阻塞队列当中

3. 线程池中的线程执行完任务后会空闲下来，然后会一直从阻塞队列中获取任务执行

使用无界阻塞队列LinkedBlockingQueue的后果：

1. curThread = corPoolSize后，任务会一直加入到阻塞队列，严重时阻塞队列的任务数过多会造成GC内存溢出。
2. 使用无界队列，那么参数maximumPoolSize是一个无效参数。只有当任务无法加入到阻塞队列时满足curThread < maximumPoolSiize才会在线程池中创建新的线程执行该任务。
3. 由于第1点和第2点导致keepAliveTime参数无效
4. 使用无界队列后，任务都可以加入到阻塞队列中，所以不会出现curThread > maximumPoolSize，也就不会出现任务拒绝执行的情况，不会调用任务拒绝方法。

GC内存溢出示例（个人理解，如果有错，欢迎指出！）：

public class Task implements Runnable {    
    private String name;   
    public Task(String name) {
        this.name = name;
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(name);
    }
}
public class FixedThreadPoolTest {   
    private static final ExecutorService fixThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
    private static int i = 0;
    
    public static void main(String[] args) {
        // 不停地往线程池中提交任务
        for (;i < 100000;i++) {
            fixThreadPool.execute(new Task("任务" + i));
        }
        fixThreadPool.shutdown();
    }
}
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设置堆内存参数：-Xms2m -Xmx2m

 

 

抛出OOM异常，原因在于阻塞队列中的任务数过多。

SingleThreadPool详解

 

 

使用单个Worker线程的Executor。本质上是fixedThreadPool的corePoolSize和maximumPoolSize都设置为1，此外无其它区别。

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

1. corePoolSize和MaximumPoolSize的参数都设置为1，其它参数含义和默认值都和fixedThreadPool相同。
2. 无界阻塞队列对线程池的影响和fixedThreadPool相同。

execute()执行流程

1. 如果线程池还没有预热，第一个任务来的时候就创建Worker线程来执行任务
2. 无法创建新线程时放入阻塞队列中
3. 唯一的工作者线程不断地执行阻塞队列中的任务

CachedThreadPool详解

 

 

根据需要创建新线程的线程池

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

1. corePoolSize设置为0，即corePool为空
2. maximumPoolSize设置为Integer.MAX_VALUE，所以maximumPool是几乎无界的，可容纳足够多的线程
3. keepAliveTime设置为60L，每个空闲线程可以等待新任务的时间是60秒
4. TimeUnit单位设置为SECONDS代表以秒为单位计算
5. 阻塞队列采用无界的SynchronousQueue，每一次的offer操作都要对应一个poll操作

execute()执行流程

1. 先把任务offer进阻塞队列中
2. 如果线程池有空闲的线程则从阻塞队列中poll出任务执行，否则执行第3步
3. 创建新的线程，并从队列中poll出任务执行。

 

 

ScheduledThreadPoolExecutor

由于JDK1.6与JDK1.8中延时队列的实现不同，所以在阅读本小节时不要死记硬背其实现，掌握其思想。图的组件均会用中文表示，对思想的掌握有帮助，实现的思想是一致的。

该类用于指定特定的延迟时间后运行任务，或者定期执行任务。Timer是单线程的，该类是多线程的，而且该类功能更加强大。

运行机制

 

 

ScheduledThreadPoolExecutor将任务提交到延时队列当中存储，当任务到达执行时间时，Worker工作线程会拉取任务进行执行，空闲的线程会一直阻塞，不断尝试获取延时队列中的任务。

ScheduledThreadPoolExecutor本质上是ThreadPoolExecutor的改造：

1. 使用延时队列作为任务队列
2. 获取任务的方式不同，空闲线程将一直阻塞获取任务
3. 执行周期任务后，增加了额外的处理操作

实现方法

调用线程把待调度的任务（ScheduledFutureTask）放入一个延时队列当中，ScheduledFutureTask的主要成员变量有三个：

1. time：该任务要被执行的具体时间
2. sequenceNumber：该任务被添加到ScheduledThreadPoolExecutor的序号，标记任务添加到队列的时刻
3. period：任务执行的间隔周期

延时队列中采用优先级队列进行排序。排序时，time越小排在越前面，time相同时，sequenceNumber越小排在越前面。

ScheduledThreadPoolExecutor执行任务的流程如下图：

 

 

1. 获取已到期的任务，到期的条件是time >= 当前时间
2. 线程1执行该任务
3. 线程1修改该任务的time变量为下次要被执行的时间
4. 把该任务放回到延时队列当中

FutureTask

表示异步计算的结果，实现了Runnable、Future接口。

FutureTask的几种状态

1. 未启动。FutureTask没有执行run()方法之前处于未启动状态
2. 已启动。FutureTask.run()方法被执行的过程中
3. 已完成。FutureTask.run()方法执行完后正常结束、或被取消、或执行方法时抛出异常而异常结束

FutureTask的状态转换图如下所示

 

 

FutureTask的核心方法

FutureTask.run()

当任务处于未启动状态时，调用FutureTask.run()会使任务执行。

FutureTask.get()

FutureTask处于未启动或已启动状态时，执行FutureTask.get()会导致线程阻塞；

当FutureTask处于已完成状态时，调用FutureTask.get()会立即返回结果或者抛出异常。

FutureTask.cancel()

当任务处于未启动状态时，调用FutureTask.cancel()会导致此任务永远不会被执行；

当任务处于已启动状态时，执行FutureTask.cancel(true)会中断任务，执行FutureTask.cancel(false)方法将不会对正在执行此任务的线程产生任何影响；

当FutureTask处于完成状态时，执行FutureTask.cancel(...)方法将返回false。

get()和cancel()的状态转换图：

 

 

FutureTask的使用

当一个线程需要等待另一个线程把某个任务执行完后才能继续执行，可以使用FutureTask。这种用法并不是很常见，只要知道有这种用法就可以了。

总结

这一章主要和上一章的线程池有很大联系，阅读到这里非常不容易，收获也应该很多，留下几道面试题来检验自己是否真的掌握了这些内容吧。

1. Executor框架主要有哪些成员？
2. 任务执行框架主要有哪几种线程池？
3. 线程池有哪些参数？它们的含义是什么？
4. 每种线程池的工作流程是如何的？简单介绍一下（越详细越好，使用了什么队列、线程池大小······）
5. 任务执行完成后返回的结果如何接收？
6. FutureTask有哪几种状态？有哪些核心方法？调用方法会导致状态如何变化？（灵魂三问）