Java并发编程- J.U.C组件拓展

Posted 2021-01-13

J.U.C-FutureTask

在Java中一般通过继承Thread类或者实现Runnable接口这两种方式来创建线程，但是这两种方式都有个缺陷，就是不能在执行完成后获取执行的结果，因此Java 1.5之后提供了Callable和Future接口，通过它们就可以在任务执行完毕之后得到任务的执行结果。

而FutureTask则是J.U.C中的类，但不是AQS的子类，FutureTask是一个可删除的异步计算类。这个类提供了Future接口的的基本实现，使用相关方法启动和取消计算，查询计算是否完成，并检索计算结果。只有在计算完成时才能使用get方法检索结果;如果计算尚未完成，get方法将会阻塞。一旦计算完成，计算就不能重新启动或取消(除非使用runAndReset方法调用计算)。

Runnable与Callable以及Future接口对比：

Runnable是一个接口，在它里面只声明了一个run()方法。由于run()方法返回值为void类型，所以在执行完任务之后无法返回任何结果：

public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

Callable接口也只声明了一个方法，这个方法叫做call()。Callable接口定义如下:

public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}

可以看到Callable是个泛型接口，泛型V就是要call()方法返回的类型。Callable接口和Runnable接口很像，都可以被另外一个线程执行，但是正如前面所说的，Runnable不会返回数据也不能抛出异常。

Future也是一个接口，Future接口代表异步计算的结果，通过Future接口提供的方法可以查看异步计算是否执行完成，或者等待执行结果并获取执行结果，同时还可以取消执行。说白了Future就是对于具体的Runnable或者Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成以及获取执行结果。其中执行结果通过get方法获取，该方法会阻塞直到任务返回结果。Future接口的定义如下：

public interface Future<V> {
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    boolean isCancelled();
    boolean isDone();
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

在Future接口中声明了5个方法，下面依次解释每个方法的作用：

cancel()方法用来取消异步任务的执行。如果异步任务已经完成或者已经被取消，或者由于某些原因不能取消，则会返回false。如果任务还没有被执行，则会返回true并且异步任务不会被执行。如果任务已经开始执行了但是还没有执行完成，若mayInterruptIfRunning为true，则会立即中断执行任务的线程并返回true，若mayInterruptIfRunning为false，则会返回true且不会中断任务执行线程。

isCanceled()方法用于判断任务是否被取消，如果任务在结束(正常执行结束或者执行异常结束)前被取消则返回true，否则返回false。

isDone()方法用于判断任务是否已经完成，如果完成则返回true，否则返回false。需要注意的是：任务执行过程中发生异常、任务被取消也属于任务已完成，也会返回true。

get()方法用于获取任务执行结果，如果任务还没完成则会阻塞等待直到任务执行完成。如果任务被取消则会抛出CancellationException异常，如果任务执行过程发生异常则会抛出ExecutionException异常，如果阻塞等待过程中被中断则会抛出InterruptedException异常。

get(long timeout,Timeunit unit)是带超时时间的get()版本，如果阻塞等待过程中超时则会抛出TimeoutException异常。

综上，Future主要提供了三种功能：

1. 判断任务是否完成；
2. 能够中断任务；
3. 能够获取任务执行结果。

---

因为Future只是一个接口，所以是无法直接用来创建对象使用的，因此就有了下面的FutureTask。FutureTask的父类是RunnableFuture，而RunnableFuture则继承了Runnable和Future这两个接口。所以由此可知，FutureTask最终也属于是Callable类型的任务。如果往FutureTask的构造函数传入Runnable的话，也会被转换成Callable类型。

FutureTask继承图如下：

可以看到，FutureTask实现了RunnableFuture接口，则RunnableFuture接口继承了Runnable接口和Future接口，所以FutureTask既能当做一个Runnable直接被Thread执行，也能作为Future用来得到Callable的计算结果。

使用场景：

假设有一个很费时的逻辑需要计算，并且需要返回计算的结果，但这个结果又不是马上需要的。那么这时就可以使用FutureTask，用另外一个线程去进行计算，而当前线程在得到这个计算结果之前，就可以去执行其他的操作，等到需要这个结果时再通过Future得到即可。

FutureTask有两个构造器，支持传入Callable和Runnable类型，在使用 Runnable 时，需要多指定一个返回结果类型：

public FutureTask(Callable<V> callable) {
    if (callable == null)
        throw new NullPointerException();
    this.callable = callable;
    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
}

public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
    this.callable = Executors.callable(runnable, result);
    this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
}

使用示例

1.Future基本使用示例：

@Slf4j
public class FutureExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        // 使用lambda创建callable任务，使用Future接收任务执行的结果
        Future<String> future = executorService.submit(() -> {
            log.info("do something in callable");
            Thread.sleep(5000);

            return "Done";
        });

        log.info("do something in main");
        Thread.sleep(1000);
        // 获取执行结果
        String result = future.get();
        log.info("result: {}", result);
        executorService.shutdown();
    }
}

2.FutureTask基本使用示例：

@Slf4j
public class FutureTaskExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 构建FutureTask实例，使用lambda创建callable任务
        FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(() -> {
            log.info("do something in callable");
            Thread.sleep(5000);

            return "Done";
        });

        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        executorService.execute(futureTask);

        log.info("do something in main");
        Thread.sleep(1000);
        // 获取执行结果
        String result = futureTask.get();
        log.info("result: {}", result);
        executorService.shutdown();
    }
}

从以上两个示例可以看到，Future和FutureTask的使用方式是很相似的，毕竟FutureTask就是Future的一个实现。

---

J.U.C-ForkJoin

Fork/Join框架是Java7提供了的一个用于并行执行任务的框架， 是一个把大任务分割成若干个小任务，最终汇总每个小任务结果后得到大任务结果的框架，其思想和map-reduce非常类似。

我们再通过Fork和Join这两个单词来理解下Fork/Join框架，Fork就是把一个大任务切分为若干子任务并行的执行，Join就是合并这些子任务的执行结果，最后得到这个大任务的结果。比如计算1+2+。。＋10000，可以分割成10个子任务，每个子任务分别对1000个数进行求和，最终汇总这10个子任务的结果。Fork/Join的运行流程图如下：

工作窃取算法：

Fork/Join框架主要采用的是工作窃取（work-stealing）算法，该算法是指某个线程从其他队列里窃取任务来执行。工作窃取的运行流程图如下：

那么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是充分利用线程进行并行计算，并减少了线程间的竞争，其缺点是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。并且消耗了更多的系统资源，比如创建多个线程和多个双端队列。

所以对于Fork/Join框架而言，当一个任务正在等待它使用join操作创建的子任务的结束时，执行这个任务的线程（工作线程）查找其他未被执行的任务并开始它的执行。通过这种方式，线程充分利用它们的运行时间，从而提高了应用程序的性能。

为实现这个目标，Fork/Join框架执行的任务有以下局限性：

• 任务只能使用fork()和join()操作，作为同步机制。如果使用其他同步机制，工作线程不能执行其他任务，当它们在同步操作时。比如，在Fork/Join框架中，你使任务进入睡眠，那么在这睡眠期间内，正在执行这个任务的工作线程将不会执行其他任务。
• 任务不应该执行I/O操作，如读或写数据文件。
• 任务不能抛出检查异常，它必须包括必要的代码来处理它们。

Fork/Join框架的核心主要是以下两个类：

• ForkJoinPool：它实现ExecutorService接口和work-stealing算法。它管理工作线程和提供关于任务的状态和它们执行的信息。
• ForkJoinTask： 它是将在ForkJoinPool中执行的任务的基类。它提供在任务中执行fork()和join()操作的机制，并且这两个方法控制任务的状态。通常， 为了实现你的Fork/Join任务，你将实现两个子类的子类的类：RecursiveAction对于没有返回结果的任务和RecursiveTask 对于返回结果的任务。

Fork/Join使用示例，完成1+2+3+4...+n的计算，代码如下：

package org.zero.concurrency.demo.example.aqs;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;

/**
 * @program: concurrency-demo
 * @description: ForkJoin 使用示例
 * @author: 01
 * @create: 2018-10-19 20:12
 **/
@Slf4j
public class ForkJoinTaskExample extends RecursiveTask<Integer> {
    private static final int THRESHOLD = 2;
    private int start;
    private int end;

    private ForkJoinTaskExample(int start, int end) {
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Integer compute() {
        int sum = 0;

        //如果任务足够小就直接计算任务
        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...+100
        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);
        }
    }
}

---

J.U.C-BlockingQueue

在新增的Concurrent包中，BlockingQueue很好的解决了多线程中，如何高效安全“传输”数据的问题，从名字也可以知道它是线程安全的。通过这些高效并且线程安全的队列类，为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利。

首先，最基本的来说， BlockingQueue 是一个先进先出的队列（Queue），为什么说是阻塞（Blocking）的呢？是因为 BlockingQueue 支持当获取队列元素但是队列为空时，会阻塞等待队列中有元素再返回；也支持添加元素时，如果队列已满，那么等到队列可以放入新元素时再放入。所以 BlockingQueue 主要应用于生产者消费者场景。

BlockingQueue 是一个接口，继承自 Queue，所以其实现类也可以作为 Queue 的实现来使用，而 Queue 又继承自 Collection 接口。

BlockingQueue 对插入操作、移除操作、获取元素操作提供了四种不同的方法用于不同的场景中使用，总结如下表：

-	Throws exception	Special value	Blocks	Times out
Insert	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e, time, unit)
Insert	remove()	poll()	take()	poll(time, unit)
Examine	element()	peek()	not applicable	not applicable

说明：

1、Throws Exceptions ：如果不能立即执行就抛出异常
2、Special Value：如果不能立即执行就返回一个特殊的值（null 或 true/false，取决于具体的操作）
3、Blocks：如果不能立即执行就阻塞等待此操作，直到这个操作成功
4、Times Out：如果不能立即执行就阻塞一段时间，直到成功或者超时指定时间

BlockingQueue 的实现类：

ArrayBlockingQueue：它是一个有界的阻塞队列，内部实现是数组，需在初始化时指定容量大小，一旦指定大小就不能再变。采用FIFO方式存储元素：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
    /** The queued items */
    final Object[] items;
    ...
}            

DelayQueue：阻塞内部元素，DelayQueue内部元素必须实现Delayed接口，Delayed接口又继承了Comparable接口，原因在于DelayQueue内部元素需要排序，一般情况下按元素过期时间优先级排序：

public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
    long getDelay(TimeUnit unit);
}

DalayQueue内部采用PriorityQueue与ReentrantLock实现：

public class DelayQueue<E extends Delayed> extends AbstractQueue<E>
    implements BlockingQueue<E> {

    private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();
    ...
}

LinkedBlockingQueue：使用独占锁实现的阻塞队列，大小配置可选，如果初始化时指定了大小，那么它就是有边界的。不指定就无边界（最大整型值）。内部实现是链表，采用FIFO形式保存数据。

public LinkedBlockingQueue() {
    // 不指定大小，无边界采用默认值，最大整型值
    this(Integer.MAX_VALUE);
}

PriorityBlockingQueue：带优先级的×××阻塞队列，无边界队列，允许插入null。插入的对象必须实现Comparator接口，队列优先级的排序规则就是按照我们对Comparable接口的实现来指定的。我们可以从PriorityBlockingQueue中获取一个迭代器，但这个迭代器并不保证能按照优先级的顺序进行迭代：

public class PriorityBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
    implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
    ...

    public boolean add(E e) {
        return offer(e);
    }

    public boolean offer(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        int n, cap;
        Object[] es;
        while ((n = size) >= (cap = (es = queue).length))
            tryGrow(es, cap);
        try {
            //必须实现Comparator接口
            final Comparator<? super E> cmp;
            if ((cmp = comparator) == null)
                siftUpComparable(n, e, es);
            else
                siftUpUsingComparator(n, e, es, cmp);
            size = n + 1;
            notEmpty.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        return true;
    }
    ...
}        

SynchronousQueue：同步阻塞队列，只能插入一个元素，×××非缓存队列，不存储元素。其内部并没有数据缓存空间，你不能调用peek()方法来看队列中是否有数据元素，当然遍历这个队列的操作也是不允许的：

public class SynchronousQueue<E> extends AbstractQueue<E>
    implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
    ...
}    

参考：

http://www.importnew.com/28053.html