一文带你了解J.U.C的FutureTaskFork/Join框架和BlockingQueue

Posted 2022-06-11 华为云开发者联盟

摘要： J.U.C是Java并发编程中非常重要的工具包，今天，我们就来着重讲讲J.U.C里面的FutureTask、Fork/Join框架和BlockingQueue。

本文分享自华为云社区《​​【高并发】J.U.C组件扩展​​》，作者： 冰 河 。

FutureTask

FutureTask是J.U.C(java.util.concurrent)下的，但不是AQS(AbstractQueuedSynchronizer)的子类。其对线程结果的处理值得借鉴和在项目中使用。

Thread和Runnable执行完任务无法获取执行结果。Java1.5开始提供了Callable和Future，通过它们可以在任务执行完毕之后，得到任务执行的结果。

Callable与Runnable接口对比

Callable：泛型接口，提供一个call()方法，支持抛出异常，并且执行后有返回值
Runnable：接口，提供一个run()方法，不支持抛出异常，执行后无返回值

Future接口

对于具体的Callable和Runnable任务，可以进行取消，查询任务是否被取消，查询是否完成以及获取结果等。

Future可以监视目标线程调用call()的情况，当调用Future的get()方法时，就可以获得结果。此时，执行任务的线程可能不会直接完成，当前线程就开始阻塞，直到call()方法结束返回结果，当前线程才会继续执行。总之，Future可以得到别的线程任务方法的返回值。

FutureTask类

实现的接口为RunnableFuture，而RunnableFuture接口继承了Runnable和Future两个接口，所以FutureTask类最终也是执行Callable类型的任务。如果FutureTask类的构造方法参数是Runnable的话，会转换成Callable类型。

类实现了两个接口：Runnable和Future。所以，它即可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值，这样设计的好处如下：

假设有一个很费时的逻辑，需要计算并且返回这个值，同时，这个值又不是马上需要，则可以使用Runnable和Future的组合，用另外一个线程去计算返回值，而当前线程在使用这个返回值之前，可以做其他的操作，等到需要这个返回值时，再通过Future得到。

Future示例代码如下：

package io.binghe.concurrency.example.aqs;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
@Slf4j
public class FutureExample 
    static class MyCallable implements Callable<String>
        @Override
        public String call() throws Exception 
            log.info("do something in callable");
            Thread.sleep(5000);
            return "Done";
        
    
    public static void main(String[] args) throws Exception 
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        Future<String> future = executorService.submit(new MyCallable());
        log.info("do something in main");
        Thread.sleep(1000);
        String result = future.get();
        log.info("result: ", result);
        executorService.shutdown();
    

FutureTask示例代码如下：

package io.binghe.concurrency.example.aqs;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.FutureTask;
@Slf4j
public class FutureTaskExample 
    public static void main(String[] args) throws Exception
        FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<String>(new Callable<String>() 
            @Override
            public String call() throws Exception 
                log.info("do something in callable");
                Thread.sleep(5000);
                return "Done";
            
        );
        new Thread(futureTask).start();
        log.info("do something in main");
        Thread.sleep(1000);
        String result = futureTask.get();
        log.info("result: ", result);
    

Fork/Join框架

位于J.U.C(java.util.concurrent)中，是Java7中提供的用于执行并行任务的框架，其可以将大任务分割成若干个小任务，最终汇总每个小任务的结果后得到最终结果。基本思想和Hadoop的MapReduce思想类似。

主要采用的是工作窃取算法（某个线程从其他队列里窃取任务来执行），并行分治计算中的一种Work-stealing策略

为什么需要使用工作窃取算法呢？

假如我们需要做一个比较大的任务，我们可以把这个任务分割为若干互不依赖的子任务，为了减少线程间的竞争，于是把这些子任务分别放到不同的队列里，并为每个队列创建一个单独的线程来执行队列里的任务，线程和队列一一对应，比如A线程负责处理A队列里的任务。但是有的线程会先把自己队列里的任务干完，而其他线程对应的队列里还有任务等待处理。干完活的线程与其等着，不如去帮其他线程干活，于是它就去其他线程的队列里窃取一个任务来执行。而在这时它们会访问同一个队列，所以为了减少窃取任务线程和被窃取任务线程之间的竞争，通常会使用双端队列，被窃取任务线程永远从双端队列的头部拿任务执行，而窃取任务的线程永远从双端队列的尾部拿任务执行。

工作窃取算法的优点：

充分利用线程进行并行计算，并减少了线程间的竞争

工作窃取算法的缺点：

在某些情况下还是存在竞争，比如双端队列里只有一个任务时。并且该算法会消耗更多的系统资源，比如创建多个线程和多个双端队列。

对于Fork/Join框架而言，当一个任务正在等待它使用Join操作创建的子任务结束时，执行这个任务的工作线程查找其他未被执行的任务，并开始执行这些未被执行的任务，通过这种方式，线程充分利用它们的运行时间来提高应用程序的性能。为了实现这个目标，Fork/Join框架执行的任务有一些局限性。

Fork/Join框架局限性：

（1）任务只能使用Fork和Join操作来进行同步机制，如果使用了其他同步机制，则在同步操作时，工作线程就不能执行其他任务了。比如，在Fork/Join框架中，使任务进行了睡眠，那么，在睡眠期间内，正在执行这个任务的工作线程将不会执行其他任务了。
（2）在Fork/Join框架中，所拆分的任务不应该去执行IO操作，比如：读写数据文件
（3）任务不能抛出检查异常，必须通过必要的代码来出来这些异常

Fork/Join框架的核心类

Fork/Join框架的核心是两个类：ForkJoinPool和ForkJoinTask。ForkJoinPool负责实现工作窃取算法、管理工作线程、提供关于任务的状态以及执行信息。ForkJoinTask主要提供在任务中执行Fork和Join操作的机制。

示例代码如下：

package io.binghe.concurrency.example.aqs;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
@Slf4j
public class ForkJoinTaskExample extends RecursiveTask<Integer> 
    public static final int threshold = 2;
    private int start;
    private int end;
    public ForkJoinTaskExample(int start, int end) 
        this.start = start;
        this.end = end;
    
    @Override
    protected Integer compute() 
        int sum = 0;
        //如果任务足够小就计算任务
        boolean canCompute = (end - start) <= threshold;
        if (canCompute) 
            for (int i = start; i <= end; i++) 
                sum += i;
            
         else 
            // 如果任务大于阈值，就分裂成两个子任务计算
            int middle = (start + end) / 2;
            ForkJoinTaskExample leftTask = new ForkJoinTaskExample(start, middle);
            ForkJoinTaskExample rightTask = new ForkJoinTaskExample(middle + 1, end);

            // 执行子任务
            leftTask.fork();
            rightTask.fork();

            // 等待任务执行结束合并其结果
            int leftResult = leftTask.join();
            int rightResult = rightTask.join();

            // 合并子任务
            sum = leftResult + rightResult;
        
        return sum;
    
    public static void main(String[] args) 
        ForkJoinPool forkjoinPool = new ForkJoinPool();

        //生成一个计算任务，计算1+2+3+4
        ForkJoinTaskExample task = new ForkJoinTaskExample(1, 100);

        //执行一个任务
        Future<Integer> result = forkjoinPool.submit(task);

        try 
            log.info("result:", result.get());
         catch (Exception e) 
            log.error("exception", e);
        
    

BlockingQueue

阻塞队列，是线程安全的。

被阻塞的情况如下：

（1）当队列满时，进行入队列操作
（2）当队列空时，进行出队列操作

使用场景如下：

主要在生产者和消费者场景

BlockingQueue的方法

BlockingQueue 具有 4 组不同的方法用于插入、移除以及对队列中的元素进行检查。如果请求的操作不能得到立即执行的话，每个方法的表现也不同。这些方法如下：

四组不同的行为方式解释:

• 抛出异常

如果试图的操作无法立即执行，抛一个异常。

• 特殊值

如果试图的操作无法立即执行，返回一个特定的值(常常是 true / false)。

• 阻塞

如果试图的操作无法立即执行，该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行。

• 超时

如果试图的操作无法立即执行，该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行，但等待时间不会超过给定值。返回一个特定值以告知该操作是否成功(典型的是 true / false)。

BlockingQueue的实现类如下：

• ArrayBlockingQueue：有界的阻塞队列（容量有限，必须在初始化的时候指定容量大小，容量大小指定后就不能再变化），内部实现是一个数组，以FIFO的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移除的对象是头部。
• DelayQueue：阻塞的是内部元素，DelayQueue中的元素必须实现一个接口——Delayed（存在于J.U.C下）。Delayed接口继承了Comparable接口，这是因为Delayed接口中的元素需要进行排序，一般情况下，都是按照Delayed接口中的元素过期时间的优先级进行排序。应用场景主要有：定时关闭连接、缓存对象、超时处理等。内部实现使用PriorityQueue和ReentrantLock。
• LinkedBlockingQueue：大小配置是可选的，如果初始化时指定了大小，则是有边界的；如果初始化时未指定大小，则是无边界的（其实默认大小是Integer类型的最大值）。内部实现时一个链表，以FIFO的方式存储数据，最新插入的对象是尾部，最新移除的对象是头部。
• PriorityBlockingQueue：带优先级的阻塞队列，无边界，但是有排序规则，允许插入空对象(也就是null)。所有插入的对象必须实现Comparable接口，队列优先级的排序规则就是按照对Comparable接口的实现来定义的。可以从PriorityBlockingQueue中获得一个迭代器Iterator，但这个迭代器并不保证按照优先级的顺序进行迭代。
• SynchronousQueue：队列内部仅允许容纳一个元素，当一个线程插入一个元素后，就会被阻塞，除非这个元素被另一个线程消费。因此，也称SynchronousQueue为同步队列。SynchronousQueue是一个无界非缓存的队列。准确的说，它不存储元素，放入元素只有等待取走元素之后，才能再次放入元素

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