Java线程与并发编程实践----并发工具类与Executor框架

    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

1. import java.util.concurrent.ExecutorService;   

2. import java.util.concurrent.Executors;   

3.   

4. public class TestCachedThreadPool{   

5.     public static void main(String[] args){   

6.         ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();   

7. //      ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);  

8. //      ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();  

9.         for (int i = 0; i < 5; i++){   

10.             executorService.execute(new TestRunnable());   

11.             System.out.println("************* a" + i + " *************");   

12.         }   

13.         executorService.shutdown();   

14.     }   

15. }   

16.   

17. class TestRunnable implements Runnable{   

18.     public void run(){   

19.         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程被调用了。");   

20.     }   

21. }  

   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

1. import java.util.ArrayList;   

2. import java.util.List;   

3. import java.util.concurrent.*;   

4.   

5. public class CallableDemo{   

6.     public static void main(String[] args){   

7.         ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();   

8.         List<Future<String>> resultList = new ArrayList<Future<String>>();   

9.   

10.         //创建10个任务并执行   

11.         for (int i = 0; i < 10; i++){   

12.             //使用ExecutorService执行Callable类型的任务，并将结果保存在future变量中   

13.             Future<String> future = executorService.submit(new TaskWithResult(i));   

14.             //将任务执行结果存储到List中   

15.             resultList.add(future);   

16.         }   

17.   

18.         //遍历任务的结果   

19.         for (Future<String> fs : resultList){   

20.                 try{   

21.                     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  

22.                     System.out.println(fs.get());     //打印各个线程（任务）执行的结果   

23.                 }catch(InterruptedException e){   

24.                     e.printStackTrace();   

25.                 }catch(ExecutionException e){   

26.                     e.printStackTrace();   

27.                 }finally{   

28.                     //启动一次顺序关闭，执行以前提交的任务，但不接受新任务  

29.                     executorService.shutdown();   

30.                 }   

31.         }   

32.     }   

33. }   

34.   

35.   

36. class TaskWithResult implements Callable<String>{   

37.     private int id;   

38.   

39.     public TaskWithResult(int id){   

40.         this.id = id;   

41.     }   

42.   

43.     /**  

44.      * 任务的具体过程，一旦任务传给ExecutorService的submit方法， 

45.      * 则该方法自动在一个线程上执行 

46.      */   

47.     public String call() throws Exception {  

48.         System.out.println("call()方法被自动调用！！！    " + Thread.currentThread().getName());   

49.         //该返回结果将被Future的get方法得到  

50.         return "call()方法被自动调用，任务返回的结果是：" + id + "    " + Thread.currentThread().getName();   

51.     }   

52. }  

    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

1. import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;   

2. import java.util.concurrent.BlockingQueue;   

3. import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;   

4. import java.util.concurrent.TimeUnit;   

5.   

6. public class ThreadPoolTest{   

7.     public static void main(String[] args){   

8.         //创建等待队列   

9.         BlockingQueue<Runnable> bqueue = new ArrayBlockingQueue<Runnable>(20);   

10.         //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  

11.         ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(3,5,50,TimeUnit.MILLISECONDS,bqueue);   

12.         //创建七个任务   

13.         Runnable t1 = new MyThread();   

14.         Runnable t2 = new MyThread();   

15.         Runnable t3 = new MyThread();   

16.         Runnable t4 = new MyThread();   

17.         Runnable t5 = new MyThread();   

18.         Runnable t6 = new MyThread();   

19.         Runnable t7 = new MyThread();   

20.         //每个任务会在一个线程上执行  

21.         pool.execute(t1);   

22.         pool.execute(t2);   

23.         pool.execute(t3);   

24.         pool.execute(t4);   

25.         pool.execute(t5);   

26.         pool.execute(t6);   

27.         pool.execute(t7);   

28.         //关闭线程池   

29.         pool.shutdown();   

30.     }   

31. }   

32.   

33. class MyThread implements Runnable{   

34.     @Override   

35.     public void run(){   

36.         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在执行。。。");   

37.         try{   

38.             Thread.sleep(100);   

39.         }catch(InterruptedException e){   

40.             e.printStackTrace();   

41.         }   

42.     }   

43. }  

    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

1. public static ExecutorService newCachedThreadPool() {  

2.     return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,  

3.                                   60L, TimeUnit.SECONDS,  

4.                                   new SynchronousQueue<Runnable>());  

5. }  

    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

1. public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {  

2.     return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,  

3.                                   0L, TimeUnit.MILLISECONDS,  

4.                                   new LinkedBlockingQueue<Runnable>());  

5. }  

    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。