Java Executor线程池框架的概述

Posted 2022-06-04 刘Java

基于JDK1.8详细介绍了Executor线程池框架的基本架构组成。

文章目录

• 1 Executor框架的概述
• 2 Executor线程池的概述
• 3 Executor线程池的基本结构

1 Executor框架的概述

JDK1.5之前，我们如果想要使用Java线程来完成相关任务，一般涉及两个类，一个是Thread类，一个Thread对象在启动（start）之后会创建一个关联的本地操作系统线程，随后会自动回调run方法。另一个是Runnable接口，可以看作 run方法的抽象，代表线程任务。通过Runnable和Thread的配合可以编写我们自己的多线程逻辑。

可以看到，此时Java对于多线程编程的支持还是比较原始的，功能也并不多。因此，在JDK1.5的JUC包中，对Java的多线程应用做了一次全面的扩展，比如新lock锁、并发容器等，还有一个重要的扩展就是出现了Executor执行框架。

Executor执行框架将Java线程的应用做了更细致的功能划分，并且进行了功能的增强，大概包括三个部分：

1. 线程任务
   1. JDK1.5之前，只有Runnable代表线程任务，对于受检异常，必须手动在try catch中处理，不支持throws声明可能抛出的异常，不支持任务返回值。
   2. JDK1.5的时候，出现了Callable接口，可以看作Runnable的增强：对于受检异常，可以不用在try catch中处理，支持throws声明可能抛出的异常，并且支持任务返回值。
2. 执行器
   1. JDK1.5之前，线程任务的执行需要我们手动创建Thread对象、传入任务、并调用start方法，一个任务对应一个线程，它们之间的关联非常紧密，这样对于线程任务的管理、线程资源的复用等功能几乎没有，或者只能自己手动实现，非常麻烦。
   2. JDK1.5的时候，出现了Executor线程池。线程池作为任务执行器，我们只需要创建指定的线程池，随后将线程任务传入线程池中，由线程池来确定是将任务直接分配给池中的线程去执行、还是创建线程并执行、或者是加入任务队列等待等等逻辑，使用线程池之后我们不再需要手动创建线程去执行，并且可以实现线程的复用以及线程任务的管理等强大的功能。执行器（线程池）将任务与线程解耦！
3. 异步执行结果
   1. JDK1.5之前，在线程任务启动之后，对于线程任务监控几乎没有，我们不知道任务有没有完成，也没办法定义任务的返回值等一系列信息。
   2. JDK1.5的时候，出现了Future接口以及它的各种实现。这个接口体系代表了线程任务异步计算的结果，通常与Callable线程任务连用。利用了Future设计模式，在一个线程A执行线程任务的时候，我么可以在另一个线程B中异步的通过Future的实现的相关方法完成判断对应线程任务是否执行完毕、是否被取消、手动取消正在执行的线程任务、以及从执行完毕的线程任务中获取返回值等功能。

有了执行框架，我们只需创建线程任务、然后交给指定的线程池去执行，执行完毕之后等待获取返回结果即可，不再需要关注线程的创建、开启、执行、回收等基础性的中间工作，将任务与线程解耦，程序员更加的关注线程任务本身（这里是和业务相关的），有利于多线程程序的开发！

如果想要使用执行框架，只需要看相关api文档即可！那么我们有必要深入理解执行框架吗？当然时间充足的情况下是有必要的，只有我们知道了执行框架的原理之后，才能更好的使用它。执行框架属于JDK自带的基础框架，经历了时间和众多Java开发者的考验，不求能够手写，仅仅学习它的设计精华，包括各种设计模式，同时避开隐藏的坑，对于程序员个人的后续职业发展也是具有很大帮助的！

线程任务、执行器、执行结果这三部分，都可以围绕着Executor线程池展开，因此下面我们将从Executor入手，并且会穿插介绍Callable和Future的相关原理。

2 Executor线程池的概述

在上面关于Executor执行框架的概述中我们就说过，线程池作为连接线程任务和异步执行结果的执行器，其重要性不言而喻。

在Java框架设计中，一般涉及到资源相关的，并且资源具有创建消耗大、可复用的特点时，都采用了池化技术管理资源，形成一个“资源池”，池化技术可以带来以下一般性好处：对外部隐藏了资源的创建与释放的细节、实现资源的复用减少内存或者时间性能开销。常见Java中池化技术有：数据库连接池（管理数据库连接资源）、基本类型包装类中的缓存池（管理常用包装类对象）、Http连接池（管理http连接资源）、redis连接池（管理redis连接）等等，当然还包括马上要讲的线程池。

Executor线程池来自于JDK1.5的JUC包，使用线程池的目的或者好处如下：

1. 实现线程资源的合理复用。线程资源属于操作系统核心资源之一，创建和销毁都需要占用系统资源和大量时间。使用线程池之后，不再需要开发者管理线程，线程的创建和销毁都交给线程池控制，实现线程的复用，减少线程资源的频繁的创建和销毁。
2. 提升任务执行效率。当新来一个线程任务的时候，由于具有线程复用计数因此可以直接利用现有的线程去执行任务，不需要新建线程，这样一定程度上提升了执行效率。
3. 可以对线程和线程任务实现实时监控和管理。比如目前活动线程数、曾经的最大线程数、已完成的任务数量等功能；比如控制最大线程数，在线程任务执行前-执行完毕后-线程池停止后具有可选的回调方法、移除某个线程任务、立即停止线程池等功能，他们都可以通过线程池的相关方法调用来实现。

JDK的线程池可扩展性极强，我们既可以利用定义好的线程池，也可以自定义线程池，很多其他框架组件也都是使用或者扩展了JDK线程池，比如ForkJoinPool分治框架（线程池框架的增强），guava的线程池MoreExecutors就是基于JDK线程池做的扩展，权限框架Shiro的PropertiesRealm属性文件认证类，JAVA RESTFUL请求服务框架Jersey，甚至单元测试框架junit等等框架都是用到了原生Executor线程池，下面来看看JDK的Executor线程池的主要原理吧！

3 Executor线程池的基本结构

从JDK1.5到JDK1.8，线程池的成员已经扩展的非常多了，下面仅仅列举了常用的关键的类和接口的uml关系：

下面先简单介绍核心接口以及实现类：

1. Executor
   1. 作为线程池的顶级执行接口，也是一个函数式接口。只有一个execute方法，用于执行已提交的 Runnable 任务对象。
   2. 它不仅仅是一个接口，更是代表着一种将任务与每个任务将如何运行的机制（包括线程的创建、使用、调度等）分离开来的思想。使用者只需要提交任务，不需要创建线程，执行的细节被封装到Executor中，任务的执行方法可以根据实现者自由选择，可以实现为异步（使用新线程执行任务）、也可以是同步的（在调用者的线程中立即运行已提交的任务）。
2. ExecutorService
   1. 继承并扩展了Executor接口的执行服务接口。
   2. 新增了可为跟踪一个或多个异步任务执行状况而生成 Future 的方法，比如submit方法，作为execute方法的扩展。新增了可以关闭线程池的方法，比如shutdown和shutdownNow方法。新增了批量执行任务的方法，比如 invokeAny 和 invokeAll方法。
3. AbstractExecutorService
   1. 实现了ExecutorService的抽象类，提供 ExecutorService 执行方法的默认实现。比如对ExecutorService返回Future，实现为返回RunnableFuture。另一个作用是作为骨干实现最大限度地减少ExecutorService的实现类的代码。
4. ThreadPoolExecutor
   1. 继承了ExecutorService的普通类，这是JDK线程池的核心实现。
   2. 它的构造器提供了各种可配置参数，比如线程数量、任务队列、拒绝策略等，方便我们自定义自己的线程池，以及各种钩子 (hook) 方法，方便追踪线程任务的执行，这是我们学习的重点，这里不做详细介绍。
5. ScheduledThreadPoolExecutor
   1. 继承了ThreadPoolExecutor的普通类，可以看作功能的扩展或增强。
   2. 它能够将线程任务延迟指定时间后执行，或者间隔固定时间多次执行。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。Timer中一个任务出现异常之后会影响其他任务的执行，但是ScheduledThreadPoolExecutor不会。Timer中一个任务耗时较常会影响其他任务的执行，ScheduledThreadPoolExecutor不会。
6. Executors
   1. 独立出来的一个普通类（没有继承和实现关系，采用组合/聚合关系，图上没有注明），作为一个线程池工厂，提供各种实用方法。
   2. 提供了各种预定义线程池的实现，比如CachedThreadPool、FixedThreadPool等；提供了将Runnable包装、转换为Callable的方法；提供默认的ThreadFactory线程工厂的实现等功能。

后面的文章我们主要学习ThreadPoolExecutor、ScheduledThreadPoolExecutor、Executors这三个类使用以及原理。另外JDK1.7的时候线程池新增了ForkJoinPool分治框架，这是对线程池的增强，后面的文章我们会讲解ForkJoinPool的源码！