早安打工人-——Executor框架详解

前言

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框架的两级调度模型

在HotSpot VM的线程模型中，Java线程（java.lang.Thread）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。操作系统会调度所有线程并将它们分配给可用的CPU。

在上层，Java多线程程序通常把应用分解为若干个任务，然后使用用户级的调度器（Executor框架）将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。应用程序通过Executor框架控制上层的调度；而下层的调度由操作系统内核控制，下层的调度不受应用程序的控制。

Executor框架的结构与成员

Executor框架的结构

Executor框架主要由3大部分组成如下。

·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框架包含的主要的类与接口。

·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。

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））。

然后可以把Runnable对象直接交给ExecutorService执行（ExecutorService.execute（Runnable command））；或者也可以把Runnable对象或Callable对象提交给ExecutorService执行（Executor- Service.submit（Runnable task）或ExecutorService.submit（Callabletask））。

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，程序员也可以创建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。

Executor框架的成员

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

（1）ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor通常使用工厂类Executors来创建。Executors可以创建3种类型的ThreadPoolExecutor:

1）FixedThreadPool。下面是Executors提供的，创建使用固定线程数的FixedThreadPool的 API。
阻塞队列为⽆界队列LinkedBlockingQueue
适⽤于处理CPU密集型的任务，适⽤执⾏⻓期的任务

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactorythreadFactory)

2）SingleThreadExecutor。下面是Executors提供的，创建使用单个线程的SingleThread-Executor的API。
阻塞队列是LinkedBlockingQueue
适⽤于串⾏执⾏任务的场景，⼀个任务⼀个任务地执⾏
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。

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor()
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory)

3）CachedThreadPool。下面是Executors提供的，创建一个会根据需要创建新线程的CachedThreadPool的API。
阻塞队列是SynchronousQueue
适⽤于并发执⾏⼤量短期的⼩任务
CachedThreadPool是大小无界的线程池，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。

public static ExecutorService newCachedThreadPool()
public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory)

FixedThreadPool和SingleThreadPool:
允许的请求队列长度为Integer.MAX_VALUE，可能会堆积大量的请求，从而导致OOM。
CachedThreadPool:
允许的创建线程数量为Integer.MAX_VALUE，可能会创建大量的线程，从而导致OOM。

（2）ScheduledThreadPoolExecutor

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

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

下面是工厂类Executors提供的，创建固定个数线程的ScheduledThreadPoolExecutor的API。
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。

阻塞队列是DelayedWorkQueue
周期性执⾏任务的场景，需要限制线程数量的场景

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize,ThreadFactory threadFactory)

下面是Executors提供的，创建单个线程的SingleThreadScheduledExecutor的API。
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。

public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor()
public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor (ThreadFactory threadFactory)

（3）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。

（4）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。除了可以自己创建实现Callable接口的对象外，还可以使用工厂类Executors来把一个 Runnable包装成一个Callable。
下面是Executors提供的，把一个Runnable包装成一个Callable的API。

public static Callable<Object> callable(Runnable task) // 假设返回对象Callable1

下面是Executors提供的，把一个Runnable和一个待返回的结果包装成一个Callable的API。

public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) // 假设返回对象Callable2

当我们把一个Callable对象（比如上面的Callable1或Callable2）提交给 ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor执行时，submit（…）会向我们返回一个 FutureTask对象。我们可以执行FutureTask.get()方法来等待任务执行完成。当任务成功完成后 FutureTask.get()将返回该任务的结果。
例如，如果提交的是对象Callable1，FutureTask.get()方法将返回null；如果提交的是对象Callable2，FutureTask.get()

public static void main(String[] args) throws Exception {ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);Runnable runnable = () -> System.out.println(1);Callable callable = () -> {System.out.println(1);return "1111";};Future<?> submit = executor.submit(callable);System.out.println(submit.get());Callable<Integer> callable1 = Executors.callable(runnable, 22);Future<Integer> submit1 = executor.submit(callable1);System.out.println(submit1.get());
}