Java线程与并发编程实践----并发工具类与Executor框架
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java线程与并发编程实践----并发工具类与Executor框架相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
java5之前，我们使用诸如synchronized，wait(),notify()方法对线程的操作属于对
底层线程的操作，这样会出现很多的问题：
低级的并发原语，比如synchronized，wait(),notify()经常难以正确使用。误用会导致
竞态条件，线程饿死，死锁等风险。
泰国依赖synchronized会影响程序性能以及程序的可扩展性
开发者经常需要高级线程结构，如线程池，信号量。java对底层线程的操作不包含这些结。
为解决这些问题，java5引入并发工具类，该工具类主要有下面这些包构成：
并发工具类可以被分为executor、同步器（synchronized）、以及锁框架。
下面主要详解executor框架：
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Executor框架简介
在Java 5之后，并发编程引入了一堆新的启动、调度和管理线程的API。Executor框架便是Java 5中引入的，其内部使
用了线程池机制，它在java.util.cocurrent 包下，通过该框架来控制线程的启动、执行和关闭，可以简化并发编程的操作。
因此，在Java 5之后，通过Executor来启动线程比使用Thread的start方法更好，除了更易管理，效率更好（用线程池实现，
节约开销）外，还有关键的一点：有助于避免this逃逸问题——如果我们在构造器中启动一个线程，因为另一个任务可能会
在构造器结束之前开始执行，此时可能会访问到初始化了一半的对象用Executor在构造器中。
Executor框架包括：线程池，Executor，Executors，ExecutorService，CompletionService，Future，Callable等。
Executor接口中之定义了一个方法execute（Runnable command），该方法接收一个Runable实例，它用来执行一个
任务，任务即一个实现了Runnable接口的类。ExecutorService接口继承自Executor接口，它提供了更丰富的实现多线程
的方法，比如，ExecutorService提供了关闭自己的方法，以及可为跟踪一个或多个异步任务执行状况而生成 Future 的方
法。 可以调用ExecutorService的shutdown（）方法来平滑地关闭 ExecutorService，调用该方法后，将导致ExecutorService
停止接受任何新的任务且等待已经提交的任务执行完成(已经提交的任务会分两类：一类是已经在执行的，另一类是还没
有开始执行的)，当所有已经提交的任务执行完毕后将会关闭ExecutorService。因此我们一般用该接口来实现和管理多线程。
ExecutorService的生命周期包括三种状态：运行、关闭、终止。创建后便进入运行状态，当调用了shutdown（）方法时，
便进入关闭状态，此时意味着ExecutorService不再接受新的任务，但它还在执行已经提交了的任务，当素有已经提交了的
任务执行完后，便到达终止状态。如果不调用shutdown（）方法，ExecutorService会一直处在运行状态，不断接收新
的任务，执行新的任务，服务器端一般不需要关闭它，保持一直运行即可。
Executors提供了一系列工厂方法用于创先线程池，返回的线程池都实现了ExecutorService接口。
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)
创建固定数目线程的线程池。
public static ExecutorService newCachedThreadPool()
创建一个可缓存的线程池，调用execute将重用以前构造的线程（如果线程可用）。如果现有线程没有可用的，
则创建一个新线 程并添加到池中。终止并从缓存中移除那些已有 60 秒钟未被使用的线程。
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor()
创建一个单线程化的Executor。
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)
创建一个支持定时及周期性的任务执行的线程池，多数情况下可用来替代Timer类。
这四种方法都是用的Executors中的ThreadFactory建立的线程，下面就以上四个方法做个比较
newCachedThreadPool() | -缓存型池子，先查看池中有没有以前建立的线程，如果有，就 reuse.如果没有，就建一个新的线程加入池中 -缓存型池子通常用于执行一些生存期很短的异步型任务 因此在一些面向连接的daemon型SERVER中用得不多。但对于生存期短的异步任务，它是Executor的首选。 -能reuse的线程，必须是timeout IDLE内的池中线程，缺省 timeout是60s,超过这个IDLE时长，线程实例将被终止及移出池。 注意，放入CachedThreadPool的线程不必担心其结束，超过TIMEOUT不活动，其会自动被终止。 |
newFixedThreadPool(int) | -newFixedThreadPool与cacheThreadPool差不多，也是能reuse就用，但不能随时建新的线程 -其独特之处:任意时间点，最多只能有固定数目的活动线程存在，此时如果有新的线程要建立，只能放在另外的队列中等待，直到当前的线程中某个线程终止直接被移出池子 -和cacheThreadPool不同，FixedThreadPool没有IDLE机制（可能也有，但既然文档没提，肯定非常长，类似依赖上层的TCP或UDP IDLE机制之类的），所以FixedThreadPool多数针对一些很稳定很固定的正规并发线程，多用于服务器 -从方法的源代码看，cache池和fixed 池调用的是同一个底层 池，只不过参数不同: fixed池线程数固定，并且是0秒IDLE（无IDLE） cache池线程数支持0-Integer.MAX_VALUE(显然完全没考虑主机的资源承受能力），60秒IDLE |
| newScheduledThreadPool(int) | -调度型线程池 -这个池子里的线程可以按schedule依次delay执行，或周期执行 |
| SingleThreadExecutor() | -单例线程，任意时间池中只能有一个线程 -用的是和cache池和fixed池相同的底层池，但线程数目是1-1,0秒IDLE（无IDLE） |
一般来说，CachedTheadPool在程序执行过程中通常会创建与所需数量相同的线程，然后在它回收旧线程时
停止创建新线程，因此它是合理的Executor的首选，只有当这种方式会引发问题时（比如需要大量长时间面向连
接的线程时），才需要考虑用FixedThreadPool。（该段话摘自《Thinking in Java》第四版）
Executor执行Runnable任务
通过Executors的以上四个静态工厂方法获得 ExecutorService实例，而后调用该实例的execute
（Runnable command）方法即可。一旦Runnable任务传递到execute（）方法，该方法便会自动在一
个线程上执行。下面是是Executor执行Runnable任务的示例代码：
[java] view plain copy
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class TestCachedThreadPool{
public static void main(String[] args){
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
// ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
// ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
for (int i = 0; i < 5; i++){
executorService.execute(new TestRunnable());
System.out.println("************* a" + i + " *************");
}
executorService.shutdown();
}
}
class TestRunnable implements Runnable{
public void run(){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程被调用了。");
}
}
某次执行后的结果如下：
从结果中可以看出，pool-1-thread-1和pool-1-thread-2均被调用了两次，这是随机的，execute会首先在
线程池中选择一个已有空闲线程来执行任务，如果线程池中没有空闲线程，它便会创建一个新的线程来执行任务。
Executor执行Callable任务
在Java 5之后，任务分两类：一类是实现了Runnable接口的类，一类是实现了Callable接口的类。两者都可
以被ExecutorService执行，但是Runnable任务没有返回值，而Callable任务有返回值。并且Callable的call()
方法只能通过ExecutorService的submit(Callable<T> task) 方法来执行，并且返回一个 <T>Future<T>，
是表示任务等待完成的 Future。
Callable接口类似于Runnable，两者都是为那些其实例可能被另一个线程执行的类设计的。但是 Runnable
不会返回结果，并且无法抛出经过检查的异常而Callable又返回结果，而且当获取返回结果时可能会抛出异常。
Callable中的call()方法类似Runnable的run()方法，区别同样是有返回值，后者没有。
当将一个Callable的对象传递给ExecutorService的submit方法，则该call方法自动在一个线程上执行，并且
会返回执行结果Future对象。同样，将Runnable的对象传递给ExecutorService的submit方法，则该run方法
自动在一个线程上执行，并且会返回执行结果Future对象，但是在该Future对象上调用get方法，将返回null。
下面给出一个Executor执行Callable任务的示例代码：
[java] view plain copy
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.*;
public class CallableDemo{
public static void main(String[] args){
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
List<Future<String>> resultList = new ArrayList<Future<String>>();
//创建10个任务并执行
for (int i = 0; i < 10; i++){
//使用ExecutorService执行Callable类型的任务，并将结果保存在future变量中
Future<String> future = executorService.submit(new TaskWithResult(i));
//将任务执行结果存储到List中
resultList.add(future);
}
//遍历任务的结果
for (Future<String> fs : resultList){
try{
while(!fs.isDone);//Future返回如果没有完成，则一直循环等待，直到Future返回完成
System.out.println(fs.get()); //打印各个线程（任务）执行的结果
}catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}catch(ExecutionException e){
e.printStackTrace();
}finally{
//启动一次顺序关闭，执行以前提交的任务，但不接受新任务
executorService.shutdown();
}
}
}
}
class TaskWithResult implements Callable<String>{
private int id;
public TaskWithResult(int id){
this.id = id;
}
/**
* 任务的具体过程，一旦任务传给ExecutorService的submit方法，
* 则该方法自动在一个线程上执行
*/
public String call() throws Exception {
System.out.println("call()方法被自动调用！！！ " + Thread.currentThread().getName());
//该返回结果将被Future的get方法得到
return "call()方法被自动调用，任务返回的结果是：" + id + " " + Thread.currentThread().getName();
}
}
某次执行结果如下：
从结果中可以同样可以看出，submit也是首先选择空闲线程来执行任务，如果没有，才会创建新的线程来执行任务。
另外，需要注意：如果Future的返回尚未完成，则get（）方法会阻塞等待，直到Future完成返回，可以通过调用
isDone（）方法判断Future是否完成了返回。
自定义线程池
自定义线程池，可以用ThreadPoolExecutor类创建，它有多个构造方法来创建线程池，用该类很容易实现
自定义的线程池，这里先贴上示例程序：
[java] view plain copy
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class ThreadPoolTest{
public static void main(String[] args){
//创建等待队列
BlockingQueue<Runnable> bqueue = new ArrayBlockingQueue<Runnable>(20);
//创建线程池，池中保存的线程数为3，允许的最大线程数为5
ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(3,5,50,TimeUnit.MILLISECONDS,bqueue);
//创建七个任务
Runnable t1 = new MyThread();
Runnable t2 = new MyThread();
Runnable t3 = new MyThread();
Runnable t4 = new MyThread();
Runnable t5 = new MyThread();
Runnable t6 = new MyThread();
Runnable t7 = new MyThread();
//每个任务会在一个线程上执行
pool.execute(t1);
pool.execute(t2);
pool.execute(t3);
pool.execute(t4);
pool.execute(t5);
pool.execute(t6);
pool.execute(t7);
//关闭线程池
pool.shutdown();
}
}
class MyThread implements Runnable{
@Override
public void run(){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在执行。。。");
try{
Thread.sleep(100);
}catch(InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}
}
运行结果如下：
从结果中可以看出，七个任务是在线程池的三个线程上执行的。这里简要说明下用到的ThreadPoolExecuror
类的构造方法中各个参数的含义。
public ThreadPoolExecutor (int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit,BlockingQueue<Runnable> workQueue)
corePoolSize：线程池中所保存的核心线程数，包括空闲线程。
maximumPoolSize：池中允许的最大线程数。
keepAliveTime：线程池中的空闲线程所能持续的最长时间。
unit：持续时间的单位。
workQueue：任务执行前保存任务的队列，仅保存由execute方法提交的Runnable任务。
根据ThreadPoolExecutor源码前面大段的注释，我们可以看出，当试图通过excute方法讲一个
Runnable任务添加到线程池中时，按照如下顺序来处理：
1、如果线程池中的线程数量少于corePoolSize，即使线程池中有空闲线程，也会创建一个新的线程
来执行新添加的任务；
2、如果线程池中的线程数量大于等于corePoolSize，但缓冲队列workQueue未满，则将新添加的
任务放到workQueue中，按照FIFO的原则依次等待执行（线程池中有线程空闲出来后依次将缓冲队列
中的任务交付给空闲的线程执行）；
3、如果线程池中的线程数量大于等于corePoolSize，且缓冲队列workQueue已满，但线程池中的
线程数量小于maximumPoolSize，则会创建新的线程来处理被添加的任务；
4、如果线程池中的线程数量等于了maximumPoolSize，有4种才处理方式（该构造方法调用了含
有5个参数的构造方法，并将最后一个构造方法为RejectedExecutionHandler类型，它在处理线程溢
出时有4种方式，这里不再细说，要了解的，自己可以阅读下源码）。
总结起来，也即是说，当有新的任务要处理时，先看线程池中的线程数量是否大于corePoolSize，
再看缓冲队列workQueue是否满，最后看线程池中的线程数量是否大于maximumPoolSize。
另外，当线程池中的线程数量大于corePoolSize时，如果里面有线程的空闲时间超过了keepAliveTime
，就将其移除线程池，这样，可以动态地调整线程池中线程的数量。
我们大致来看下Executors的源码，newCachedThreadPool的不带RejectedExecutionHandler参数
（即第五个参数，线程数量超过maximumPoolSize时，指定处理方式）的构造方法如下：
[java] view plain copy
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
它将corePoolSize设定为0，而将maximumPoolSize设定为了Integer的最大值，线程空
闲超过60秒，将会从线程池中移除。由于核心线程数为0，因此每次添加任务，都会先从线
程池中找空闲线程，如果没有就会创建一个线程（SynchronousQueue<Runnalbe>决定的，
后面会说）来执行新的任务，并将该线程加入到线程池中，而最大允许的线程数为Integer的最
大值，因此这个线程池理论上可以不断扩大。
再来看newFixedThreadPool的不带RejectedExecutionHandler参数的构造方法，如下：
[java] view plain copy
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
它将corePoolSize和maximumPoolSize都设定为了nThreads，这样便实现了线程池的大小的固定，
不会动态地扩大，另外，keepAliveTime设定为了0，也就是说线程只要空闲下来，就会被移除线程池，
敢于LinkedBlockingQueue下面会说。
下面说说几种排队的策略：
1、直接提交。缓冲队列采用 SynchronousQueue，它将任务直接交给线程处理而不保持它们。如果
不存在可用于立即运行任务的线程（即线程池中的线程都在工作），则试图把任务加入缓冲队列将会失
败，因此会构造一个新的线程来处理新添加的任务，并将其加入到线程池中。直接提交通常要求无界
maximumPoolSizes（Integer.MAX_VALUE） 以避免拒绝新提交的任务。newCachedThreadPool
采用的便是这种策略。
2、无界队列。使用无界队列（典型的便是采用预定义容量的 LinkedBlockingQueue，理论上是
该缓冲队列可以对无限多的任务排队）将导致在所有 corePoolSize 线程都工作的情况下将新任务加
入到缓冲队列中。这样，创建的线程就不会超过 corePoolSize，也因此，maximumPoolSize 的
值也就无效了。当每个任务完全独立于其他任务，即任务执行互不影响时，适合于使用无界队列。
newFixedThreadPool采用的便是这种策略。
3、有界队列。当使用有限的 maximumPoolSizes 时，有界队列（一般缓冲队列使用ArrayBlockingQueue，
并制定队列的最大长度）有助于防止资源耗尽，但是可能较难调整和控制，队列大小和最大池
大小需要相互折衷，需要设定合理的参数。
以上是关于Java线程与并发编程实践----并发工具类与Executor框架的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章