【Java多线程】Executor框架的详解
在Java中，使用线程来异步执行任务。Java线程的创建与销毁需要一定的开销，如果我们为每一个任务创建一个新线程来执行，这些线程的创建与销毁将消耗大量的计算资源。同时，为每一个任务创建一个新线程来执行，这种策略可能会使处于高负荷状态的应用最终崩溃。
Java线程既是工作单元，也是执行单元。从JDK1.5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框架简介
Executor框架的两级调度模型
在HotSpot VM的线程模型中，Java线程被一对一映射为本地操作系统线程。Java线程启动时会创建一个本地操作系统线程；当Java线程终止时，这个操作系统线程也会被回收。操作系统会调用所有线程并将他们分配给可用的CPU。
可以将此种模式分为两层，在上层，Java多线程程序通常把应用程序分解为若干任务，然后使用用户级的调度器（Executor框架）讲这些任务映射为固定数量的线程；在底层，操作系统内核将这些线程映射到硬件处理器上。
两级调度模型的示意图：
从图中可以看出，该框架用来控制应用程序的上层调度（下层调度由操作系统内核控制，不受应用程序的控制）。
Executor框架的结构和成员
Executor框架的结构
1. 任务
包括被执行任务需要实现的接口：Runnable接口和Callable接口
2. 任务的执行
包括任务执行机制的核心接口Executor，以及继承自Executor的ExecutorService接口。
Executor框架有两个关键类实现了ExecutorService接口：ThreadPoolExecutor 和 ScheduledThreadPoolExecutor
3. 异步计算的结果
包括Future和实现Future接口的FutureTask类。
Executor框架的类与接口
示意图
- Executor是一个接口，他是Executor框架的基础，它将任务的提交与任务的执行分离。
- ThreadPoolExecutor是线程池的核心实现类，用来执行被提交的任务。
- ScheduledThreadPoolExecutor是一个实现类，可以在给定的延迟后运行命令，或者定期执行命令。ScheduledThreadPoolExecutor 比 Timer 更灵活，功能更强大。
- Future接口和它的实现FutureTask类，代表异步计算的结果。
- Runnable和Callable接口的实现类，都可以被ThreadPoolExecutor 或 ScheduledThreadPoolExecutor 执行。
Executor框架的使用
先来看个图：
- 主线程首先要创建实现 Runnable接口或者Callable接口的任务对象。工具类Executors可以把一个Runnable对象封装为一个Callable对象
123Executors.callable(Runnale task);或Executors.callable(Runnable task, Object resule); - 然后可以把Runnable对象直接交给ExecutorService执行
123ExecutorServicel.execute(Runnable command);或者也可以把Runnable对象或Callable对象提交给ExecutorService执行ExecutorService.submit(Runnable task);如果执行ExecutorService.submit(...)，ExecutorService将返回一个实现Future接口的对象(到目前为止的JDK中，返回的是FutureTask对象)。由于FutureTask实现了Runnable接口，我们也可以创建FutureTask类，然后直接交给ExecutorService执行。
- 最后，主线程可以执行FutureTask.get()方法来等待任务执行完成。主线程也可以执行FutureTask.cancel(boolean mayInterruptIfRunning)来取消此任务的执行。
ThreadPoolExecutor详解
Executor框架最核心的类是ThreadPoolExecutor
ThreadPoolExecutor的组件构成
- corePool：核心线程池的大小
- maximumPool：最大线程池的大小
- BlockingQueue：用来暂时保存任务的工作队列
- RejectedExecutionHandler：当ThreadPoolExecutor已经关闭或ThreadPoolExecutor已经饱和时(达到了最大线程池的大小且工作队列已满)，execute()方法将要调用的Handler。
Executor 可 以 创 建 3 种 类 型 的 ThreadPoolExecutor 线 程 池：
1. FixedThreadPool
创建固定长度的线程池，每次提交任务创建一个线程，直到达到线程池的最大数量，线程池的大小不再变化。
这个线程池可以创建固定线程数的线程池。特点就是可以重用固定数量线程的线程池。它的构造源码如下：
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public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) { return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()); } |
- FixedThreadPool的corePoolSize和maxiumPoolSize都被设置为创建FixedThreadPool时指定的参数nThreads。
- 0L则表示当线程池中的线程数量操作核心线程的数量时，多余的线程将被立即停止
- 最后一个参数表示FixedThreadPool使用了无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的做工队列，由于是无界的，当线程池的线程数达到corePoolSize后，新任务将在无界队列中等待，因此线程池的线程数量不会超过corePoolSize，同时maxiumPoolSize也就变成了一个无效的参数，并且运行中的线程池并不会拒绝任务。
FixedThreadPool运行图如下
执行过程如下：
1.如果当前工作中的线程数量少于corePool的数量，就创建新的线程来执行任务。
2.当线程池的工作中的线程数量达到了corePool，则将任务加入LinkedBlockingQueue。
3.线程执行完1中的任务后会从队列中去任务。
注意LinkedBlockingQueue是无界队列，所以可以一直添加新任务到线程池。
2. SingleThreadExecutor
SingleThreadExecutor是使用单个worker线程的Executor。特点是使用单个工作线程执行任务。它的构造源码如下：
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public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() { return new FinalizableDelegatedExecutorService (new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));} |
执行过程如下：
1.如果当前工作中的线程数量少于corePool的数量，就创建一个新的线程来执行任务。
2.当线程池的工作中的线程数量达到了corePool，则将任务加入LinkedBlockingQueue。
3.线程执行完1中的任务后会从队列中去任务。
注意：由于在线程池中只有一个工作线程，所以任务可以按照添加顺序执行。
3. CachedThreadPool
CachedThreadPool是一个”无限“容量的线程池，它会根据需要创建新线程。特点是可以根据需要来创建新的线程执行任务，没有特定的corePool。下面是它的构造方法：
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public static ExecutorService newCachedThreadPool() { return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue<Runnable>());} |
1.首先执行SynchronousQueue.offer(Runnable task)。如果在当前的线程池中有空闲的线程正在执行SynchronousQueue.poll()，那么主线程执行的offer操作与空闲线程执行的poll操作配对成功，主线程把任务交给空闲线程执行。，execute()方法执行成功，否则执行步骤2
2.当线程池为空(初始maximumPool为空)或没有空闲线程时，配对失败，将没有线程执行SynchronousQueue.poll操作。这种情况下，线程池会创建一个新的线程执行任务。
3.在创建完新的线程以后，将会执行poll操作。当步骤2的线程执行完成后，将等待60秒，如果此时主线程提交了一个新任务，那么这个空闲线程将执行新任务，否则被回收。因此长时间不提交任务的CachedThreadPool不会占用系统资源。
SynchronousQueue是一个不存储元素阻塞队列，每次要进行offer操作时必须等待poll操作，否则不能继续添加元素。
参考书籍：《Java并发编程的艺术》，《Java并发编程实战》，《Java高并发程序设计》
更多内容：http://www.cnblogs.com/study-everyday/
