并发 - Executor框架

概述

Java的线程既是工作单元，也是执行机制。从JDK 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框架的结构与成员

结构

• 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。

Executor框架的类和接口

• Executor是一个接口，它是Executor框架的基础，它将任务的提交与任务的执行分离开来。
• 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接口和实现Future接口的FutureTask类，代表异步计算的结果。
• Runnable接口和Callable接口的实现类，都可以被ThreadPoolExecutor或Scheduled-ThreadPoolExecutor执行。

成员

Executor框架的主要成员：ThreadPoolExecutor、ScheduledThreadPoolExecutor、Future接口 、Runnable接口、Callable接口和Executors。

• ThreadPoolExecutor：ThreadPoolExecutor通常使用工厂类Executors来创建。Executors可以创建3种类型的ThreadPoolExecutor：SingleThreadExecutor、FixedThreadPool和CachedThreadPool。

1. FixedThreadPool：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。
2. 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。（保证多线程顺序执行）
3. CachedThreadPool：大小无界的线程池，适用于执行很多的短期异步任务的小程序，或者是负载较轻的服务器。
   注意：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。

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

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

• Future接口：Future接口和实现Future接口的FutureTask类用来表示异步计算的结果。当我们把Runnable接口或Callable接口的实现类提交（submit）给ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor时，ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor会向我们返回一个FutureTask对象。
• Runnable接口和Callable接口： Runnable接口和Callable接口的实现类，都可以被ThreadPoolExecutor或Scheduled-ThreadPoolExecutor执行。它们之间的区别是Runnable不会返回结果，而Callable可以返回结果。

无界队列作为工作队列会对线程池带来哪些影响

• 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。
• 使用无界队列时maximumPoolSize将是一个无效参数。
• 使用无界队列时keepAliveTime将是一个无效参数。
• 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）。
• CachedThreadPool的maximumPool是无界的。如果主线程提交任务的速度高于maximumPool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。

FutureTask详解

• Future接口和实现Future接口的FutureTask类，代表异步计算的结果。
• FutureTask除了实现Future接口外，还实现了Runnable接口。因此，FutureTask可以交给Executor执行，也可以由调用线程直接执行（FutureTask.run()）。
• FutureTask的实现：
  FutureTask的实现基于AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）。java.util.concurrent中的很多可阻塞类（比如ReentrantLock）都是基于AQS来实现的。AQS是一个同步框架，它提供通用机制来原子性管理同步状态、阻塞和唤醒线程，以及维护被阻塞线程的队列。JDK 6中AQS被广泛使用，基于AQS实现的同步器包括：ReentrantLock、Semaphore、ReentrantReadWriteLock、CountDownLatch和FutureTask。

每一个基于AQS实现的同步器都会包含两种类型的操作

• 至少一个acquire操作。这个操作阻塞调用线程，除非/直到AQS的状态允许这个线程继续执行。FutureTask的acquire操作为get()/get（long timeout，TimeUnit unit）方法调用。
• 至少一个release操作。这个操作改变AQS的状态，改变后的状态可允许一个或多个阻塞线程被解除阻塞。FutureTask的release操作包括run()方法和cancel（…）方法。