Java 线程 Executor 框架详解与使用

澳门新葡亰手机版 9

使用场景

SingleThreadScheduledExecutor适用于需要单个后台线程执行周期任务,同时需要保证顺序地执行各个任务的应用场景。

SingleThreadExecutor详解

SingleThreadExecutor是使用单个worker线程的Executor。下面是SingleThreadExecutor的源代码实现。

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

SingleThreadExecutor的
corePoolSizemaximumPoolSize被设置为1。其他参数与FixedThreadPool相同。SingleThreadExecutor使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的工作队列(队列的容量为Integer.MAX_VALUE).SingleThreadExecutor使用无界队列对线程池带来的影响与FixedThreadPool相同。
singleThreadExecutor的运行示例图

澳门新葡亰手机版 1

12.png

参数说明

  1. 如果当前运行的线程数少于corePoolSize(即线程池中无运行的线程),则创建一个新线程来执行任务。
  2. 在线程池完成预热之后(当前线程池中有一个运行的线程),将任务加入LinkedBlockingQueue.
  3. 线程执行完1中的任务后,会在一个无限循环中反复从LinkedBlockingQueue获取任务来执行。

Executor结构

executor结构主要包括任务、任务的执行和异步结果的计算。

任务

包括被执行任务需要实现的接口:Runnable接口或Callable接口

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)

异步计算的结果

包括接口Future和实现Future接口的FutureTask类

下面我们来看看executor类图

澳门新葡亰手机版 2

在Executor使用过程中,主线程首先要创建实现Runnable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(Executors.callable(Runnable
task)或Executors.callable(Runnable task,Object resule))。

如果执行ExecutorService.submit(…),ExecutorService将返回一个实现Future接口的对象(FutureTask)。由于FutureTask实现了Runnable,我们也可以创建FutureTask,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。

CachedThreadPool详解

CachedThreadPool是一个会根据需要创建新线程的线程池。下面是创建CachedThreadPool的源码

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

CachedThreadPool的corePoolSize被设置为0,即corePool为空;maximumPoolSize被设置为Integer.MAX_VALUE,即maximumPool是无界的。这里把keepAliveTime设置为60L,意味着CachedThreadPool中的空闲线程等待新任务的最长时间为60s,空闲线程超过60s后将会被终止。
FixedThreadPool和SingleThreadExecutor使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的工作队列。CachedThreadPool使用没有容量的SynchronousQueue作为线程池的工作队列,但CachedThreadPool的maximunPool是无界的。这意味着,如果主线程提交任务的速度高于maximunPool中线程处理任务的速度时,CachedThreadPool会不断创建新线程。极端情况下,CachedThreadPool会因为创建过多线程而耗尽CPU和内存资源。
CachedThreadPool的executor()方法的执行示意图

澳门新葡亰手机版 3

13.png

  1. 首先执行SynchronousQueue.offer(Runnable
    task)。如果当前maximumPool中有空闲线程正在执行SynchronousQueue.poll(keepAliveTime,TimeUnit.NANOSECONDS),那么主线程执行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()方法执行完成;否则执行下面的步骤2
  2. 当初始maximumPool为空,或者maximumPool中当前没有空闲线程时,将没有线程执行SynchronousQueue.poll(KeepAliveTime,TimeUnit.NANOSECONDS).这种情况下,步骤1将失败。此时CachedThreadPool会创建一个新线程执行任务,execute()方法执行完成。
  3. 在步骤2中新创建的线程将新任务执行完后,会执行SynchronousQueue.poll(keepAliveTime,TimeUnit.NANOSECONDS).这个poll操作会让空闲线程最多在SynchronousQueue中等待60s,如果60s内主线程提交一个新任务(主线程执行步骤1),那么这个空闲线程将执行主线程提交的新任务;否则,这个空闲线程将终止。由于空闲60s的空闲线程会被终止,因此长时间保持空闲的CachedThreadPool不会使用任何资源。
    SynchronousQueue是一个没有容量的阻塞队列。每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作,反之亦然。CachedThreadPool使用SynchronousQueue,把主线程提交的任务传递给空闲线程执行。CachedThreadPool中任务传递的示意图如图
![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/6734122-2c62a7eb50e565db.png)

14.png

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;当该Java线程终止时,这个操作系统线程也会被回收,在JVM中我们可以通过-Xss设置每个线程的大小。操作系统会调度所有线程并将它们分配给可用的CPU。

  • corePool: 核心线程池的大小
  • maximunPoolSize: 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(达到了最大线程池大小且工作队列已满),execute()方法将要调用的Handler
  • 通过Executor框架的工具类Executors,可以创建3种类型的ThreadPoolExecutor
    1. FixedThreadPool
    2. SingleThreadPool
    3. CachedTheadPool

使用场景

SingleThreadExecutor适用于需要保证顺序地执行各个任务;并且在任意时间点,不会有多个线程是活动的应用场景。

FixedThreadPool 详解

FixedThreadPool被称为可重用固定线程数的线程池。下面是FixedThreadPool的源代码

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

FixedThreadPool的corePoolSizemaximunPoolSize都被设置为创建FixedThreadPool时指定的参数nThreads.
当线程池中的线程数大于corePoolSize时,keepAliveTime为多余的空闲线程等待新任务的最长时间,超过这个时间后多余的线程将被终止。这里把keepAliveTime设置为0L,意味着多余的空闲线程会被立即终止。
FixedThreadPool的execute()方法的运行示意图

澳门新葡亰手机版 4

11.png

  1. 如果当前运行的线程数少于corePoolSize,则创建新线程来执行任务
  2. 在线程池完成预热之后(当前运行的线程数等于corePoolSize),将任务加入LinkedBlockingQueue。
  3. 线程执行完1中的任务后,会在循环中反复从LinkedBlockingQueue获取任务来执行。
    FixedThreadPool使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的工作队列(队列的容量为Integer.MAX_VALUE)。使用无界队列作为工作队列会对线程池带来如下影响。
  4. 当线程池中的线程数达到corePoolSize后,新任务将在无界队列中等待,因此线程池中的线程数不会超过corePoolSize
  5. 由于1,使用无界队列时maximumPoolSize将是一个无效参数。
  6. 由于1和2,使用误解队列时keepAliveTime将是一个无效参数
  7. 澳门新葡亰手机版,由于使用无界队列,运行中的FixedThreadPool(未执行方法shutdown()或shutdownNow())不会拒绝任务(不会调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution方法)。

初始化

创建使用单个线程的SingleThread-Executor

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

SingleThreadExecutor的corePoolSize和maximumPoolSize被设置为1。其他参数与FixedThreadPool相同。SingleThreadExecutor使用无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的工作队列(队列的容量为Integer.MAX_VALUE)。SingleThreadExecutor使用无界队列作为工作队列对线程池带来的影响与FixedThreadPool相同

ScheduledThreadPoolExecutor详解

ScheduledThreadPoolExecutor继承自ThreadPoolExecutor。它主要用来在给定的延迟之后运行任务,或者定期执行任务。SheduledThreadPoolExecutor的功能与Timer类似,但ScheduledTheadPoolExecutor功能更强大、更灵活。Timer对应的是单个后台线程,而ScheduledThreadPoolExecutor可以在构造函数中指定多个对应的后台线程数。
ScheduledThreadPoolExecutor的执行示意图

澳门新葡亰手机版 5

15.png

DelayQueue是一个无界队列,所以ThreadPoolExecutor的maximumPoolSize在ScheduledThreadPoolExecutor中没有什么意义(设置maximumPoolSize的大小没有什么效果).
ScheduledThreadPoolExecutor的执行主要分为两大部分。

  1. 当调用ScheduledThreadPoolExecutor的scheduleAtFixedRate()方法或者scheduleWithFixedDelay()方法时,会向ScheduledThreadPoolExecutor的DelayQueue添加一个实现了RunnableScheduledFuture接口的ScheduledFutureTask。
  2. 线程池中的线程从DelayQueue中获取ScheduledFutrueTask,然后执行任务。
    ScheduledThreadPoolExecutor会把待调度的任务(ScheduledFutureTask)放在一个DelayQueue中。
    ScheduledFutureTask主要包含3个成员变量,如下:
  3. long型成员变量time,表示这个任务将要被执行的具体时间。
  4. long型成员变量sequenceNumber,表示这个任务被添加到ScheduledThreadPoolExecutor中的序号
  5. long型成员变量period,表示任务执行的间隔周期
    DelayQueue封装了一个PriorityQueue,这个PriorityQueue会对队列中的ScheduledFutureTask进行排序。排序时,time小的排在前面(时间早的任务将被先执行)。如果两个ScheduledFutureTask的time相同,就比较sequenceNumber,sequenceNumber小的排在前面(也就是说,如果两个任务的执行时间相同,那么先提交的任务将被先执行)
    首先,让我们看看ScheduledThreadPoolExecutor中的线程执行周期任务的过程
![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/6734122-207220875935028a.png)

16.png
  1. 线程1从DelayQueue中获取已到期的ScheduledFutureTask(DelayQueue.take())。到期任务是指ScheduleFutureTask的time大于等于当前时间。
  2. 线程1执行这个ScheduledFutureTask.
  3. 线程1修改ScheduledFutureTask的time变量为下次将要被执行的时间
  4. 线程1把这个修改time之后的ScheduledFutureTask放回DelayQueue中

ScheduledThreadPoolExecutor

ScheduledThreadPoolExecutor继承自ThreadPoolExecutor。它主要用来在给定的延迟之后运行任务,或者定期执行任务。ScheduledThreadPoolExecutor的功能与Timer类似,但ScheduledThreadPoolExecutor功能更强大、更灵活。Timer对应的是单个后台线程,而ScheduledThreadPoolExecutor可以在构造函数中指定多个对应的后台线程数

Executor框架最核心的类是ThreadPoolExecutor,它是线程池的实现类,主要由下列4个组件构成。

使用场景

FixedThreadPool适用于为了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

实现过程分析

ScheduledThreadPoolExecutor会把待调度的任务(ScheduledFutureTask)放到一个DelayQueue中。ScheduledFutureTask主要包含3个成员变量,如下。

  • 1、long time,表示这个任务将要被执行的具体时间。
  • 2、long
    sequenceNumber,表示这个任务被添加到ScheduledThreadPoolExecutor中的序号。
  • 3、long period,表示任务执行的间隔周期。

DelayQueue封装了一个PriorityQueue,这个PriorityQueue会对队列中的ScheduledFutureTask进行排序。排序时,time小的排在前面(时间早的任务将被先执行)。如果两个ScheduledFutureTask的time相同,就比较sequenceNumber,sequenceNumber小的排在前面(也就是说,如果两个任务的执行时间相同,那么先提交的任务将被先执行)。首先,让我们看看ScheduledThreadPoolExecutor中的线程执行周期任务的过程。如下图所示

澳门新葡亰手机版 6

  • 1、线程1从DelayQueue中获取已到期的ScheduledFutureTask(DelayQueue.take())。到期任务是指ScheduledFutureTask的time大于等于当前时间。
  • 2、线程1执行这个ScheduledFutureTask。
  • 3、线程1修改ScheduledFutureTask的time变量为下次将要被执行的时间。
  • 4、线程1把这个修改time之后的ScheduledFutureTask放回DelayQueue中(DelayQueue.add())。

下面我们看看DelayQueue.take()的源码是如何实现的

public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly(); // 1
        try {
            for (;;) {
                E first = q.peek();
                if (first == null) {
                    available.await(); // 2.1
                } else {
                    long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
                    if (delay > 0) {
                        long tl = available.awaitNanos(delay); // 2.2
                    } else {
                        E x = q.poll(); // 2.3.1
                        assert x != null;
                        if (q.size() != 0)
                            available.signalAll(); // 2.3.2
                        return x;
                    }
                }
            }
        } finally {
            lock.unlock(); // 3
        }
    }

下面我们对上面的代码用流程图展示出来

澳门新葡亰手机版 7

1、获取Lock。
2、获取周期任务。

  • a、如果PriorityQueue为空,当前线程到Condition中等待;否则执行下面的2.2。
  • b、如果PriorityQueue的头元素的time时间比当前时间大,到Condition中等待到time时间;否则执行下面的2.3。
  • c、获取PriorityQueue的头元素(2.3.1);如果PriorityQueue不为空,则唤醒在Condition中等待的所有线程(2.3.2)。

3、释放Lock。

ScheduledThreadPoolExecutor在一个循环中执行步骤2,直到线程从PriorityQueue获取到一个元素之后(执行2.3.1之后),才会退出无限循环(结束步骤2)。

下面我来看看DelayQueue.add()源码实现

   public boolean offer(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock(); // 1
        try {
            E first = q.peek();
            q.offer(e); // 2.1
            if (first == null || e.compareTo(first) < 0)
                available.signalAll(); // 2.2
            return true;
        } finally {
            lock.unlock(); // 3
        }
    }

下面我们对上面的代码用流程图展示出来

澳门新葡亰手机版 8

1、获取Lock。
2、添加任务。

  • a、向PriorityQueue添加任务。
  • b、如果在上面2.1中添加的任务是PriorityQueue的头元素,唤醒在Condition中等待的所有线程。

3、释放Lock。

澳门新葡亰手机版 9

CachedThreadPool

初始化

ScheduledThreadPoolExecutor通常使用工厂类Executors来创建。Executors可以创建2种类型的ScheduledThreadPoolExecutor,如下。

ScheduledThreadPoolExecutor:包含若干个线程的ScheduledThreadPoolExecutor。
SingleThreadScheduledExecutor:只包含一个线程的ScheduledThreadPoolExecutor。

下面分别介绍这两种ScheduledThreadPoolExecutor。

public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                                       ThreadFactory threadFactory,
                                       RejectedExecutionHandler handler) {
        super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, TimeUnit.NANOSECONDS,
              new DelayedWorkQueue(), threadFactory, handler);
    }
 public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
        super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, TimeUnit.NANOSECONDS,
              new DelayedWorkQueue());
    }

直接调用父类ThreadPoolExecutor构造方法进行初始化。ScheduledThreadPoolExecutor适用于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。

下面看看如何创建SingleThreadScheduledExecutor

public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor() {
        return new DelegatedScheduledExecutorService
            (new ScheduledThreadPoolExecutor(1));
    }
  public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
        return new DelegatedScheduledExecutorService
            (new ScheduledThreadPoolExecutor(1, threadFactory));
    }