Java 查漏补缺之并发编程 ExecutorService

Java 实现多线程，继承 Thread 类，另一种就是实现 Runnable 接口。实际 Thread 类源码也是实现了 Runnable，使用继承 Thread 方式创建多线程，最大的局限就是不能多继承，随意推荐实现 Runnable 。

Executor

Java 5 开始， Java 并发 API 提供了一套执行器框架 Executor Framework，围绕 Executor 接口和它的子接口 ExecutorService ，以及实现这两个接口的 ThreadPoolExecutor 类展开。这套机制将任务创建和执行分离。执行器通过创建所需的线程来负责 Runnable 对象的创建、实例化和运行。执行器使用线程池来提高应用性能。

执行器另一个优势是 Callable 接口，类似于 Runnable 接口，但是 Callable 接口的 call() 方法能够返回接口；当发送 Callable 对象给 Executor 时，将获得一个实现了 Future 接口的对象，通过这个对象，可以用来控制 Callable 的状态和结果。

Executor 是一个接口，用来表示一个对象能够接受 task 来执行。

执行器需要显示的结束它，否则程序不会结束。执行器没有任何任务可以执行，那么会一直等待。

ExecutorService

ExecutorService 接口继承 Executor 接口，提供做了更多管理生命周期的方法，他提供了内存队列，并且可以通过当前线程的可用性来安排任务执行。

public interface ExecutorService extends Executor {
    void shutdown();
    List<Runnable> shutdownNow();
    boolean isShutdown();
    boolean isTerminated();
    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit);
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks);
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks);
}

几个重要的方法：

• submit 方法调用 Executor.execute() 然后返回 Future
• invokeAny 和 invokeAll 方法来提交一个集合任务，然后等待
• shutdown 方法平稳关闭，不再接受新任务，同时等待已经提交的任务执行完毕，包括还未开始的任务
• shutdownNow 方法将直接关闭过程，将尝试取消所有运行中的任务，不再启动队列中尚未开始的任务

ExecutorService 的生命周期有三种：运行，关闭和已终止。

• ExecutorService 创建初期处于运行状态
• 当所有任务都完成就进入终止状态

Executors

Executors 是一个工具类。 Executors 类中有很多创建线程池的方法，这些方法都是调用

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) { ... }

参数说明

• corePoolSize 核心线程数，当前线程数没有达到 coolPoolSize，会创建线程
  • 核心线程一般不会被销毁即使是空闲的，如果通过 allowCoreThreadTimeOut 设置了超时，也会被销毁
• maximumPoolSize 最大线程数，可同时活动的线程数量上限
  • 当核心线程无空闲，队列已满的时候会创建临时线程
• keepAliveTime 超时时间，当某个线程空闲时间超过存活时间，会被标记为回收（默认用于非核心线程），当线程池大小超过基本大小时，该线程会被销毁
• TimeUnit 超时时间单位
• workQueue 缓冲队列，等待执行的任务队列，如果核心线程没有空闲，新来的任务会被放入到队列，队列可以分为有界和无界，决定了运行策略
  • 有界，队列长度有限，核心线程无空闲，新任务进入队列，队列满，创建临时线程（警惕临时线程无线增加风险）
  • 无界，核心线程无空闲，新任务添加到队列，不会创建临时线程（警惕队列任务无线增加风险）
• threadFactory 线程工厂，创建线程的方式，线程名，是否后台执行等等
• handler 拒绝策略，没有空闲线程处理任务，队列已满，再有新任务添加，这个参数指定策略：
  • ThreadPoolExecutor.AbortPolicy：直接抛出异常，这是默认策略；
  • ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：直接丢弃任务，但是不抛出异常。
  • ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃队列最前面的任务，然后将新来的任务加入等待队列
  • ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由线程池所在的线程处理该任务，比如在 main 函数中创建线程池，如果执行此策略，将有 main 线程来执行该任务

虽然不提倡使用 Executors 中的方法来直接创建线程池，但也需要了解一下几种常见的线程池。

在 Executors 中提供了很多静态方法：

• newFixedThreadPool(int) 固定长度线程池
• newCachedThreadPool() 可缓存线程池，线程池规模不存在任何限制
• newSingleThreadExecutor() 单线程 Executor，如果这个线程出现异常，将创建新的线程补充。能够确保任务在队列中顺序执行，FIFO
• newScheduledThreadPool(int) 固定长度线程池，延迟或定时执行任务，类似 Timer

ScheduledExecutorService

ScheduledExecutorService 和 ExecutorService 接口类似，但是提供了定时任务的方法。

Future

Future 用来表示异步操作的结果。他有方法可以用来检测任务有没有完成，也有方法来获取异步任务的结果。

volatile

关键字 volatile 主要作用是让变量在多个线程间可见。

volatile vs synchronized

• volatile 关键字是程序同步轻量级实现，性能稍好，volatile 只能修饰变量，而 synchronized 可以修饰方法，代码块
• 多线程访问 volatile 不会阻塞， synchronized 会阻塞
• volatile 能保证数据可见性，不能保证原子性；synchronized 可以保证原子性，也能间接保证可见性，synchronized 会将私有内存和公共内存的数据同步。

thread setDaemon(boolean)

关于 Thread 类中 setDaemon(boolean) 中的 daemon 方法，一个守护线程是程序运行结束仍然运行的线程，垃圾回收线程就是典型的例子。在 Java 中有两类线程：User Thread（用户线程）、Daemon Thread（守护线程） 。只要当前 JVM 实例中尚存在任何一个非守护线程没有结束，守护线程就全部工作；只有当最后一个非守护线程结束时，守护线程随着 JVM 一同结束工作。

User 和 Daemon 两者几乎没有区别，唯一的不同之处就在于虚拟机的离开：如果 User Thread 已经全部退出运行了，只剩下 Daemon Thread 存在了，虚拟机也就退出了。 因为没有了被守护者，Daemon 也就没有工作可做了，也就没有继续运行程序的必要了。

常见的线程池

可缓存线程池

Executors.newCacheThreadPool()

线程池为无限大，当执行当前任务时上一个任务已经完成，会复用执行上一个任务的线程

可重用固定个数的线程池

Executors.newFixedThreadPool(int n)

固定长度，定时：

Executors.newScheduledThreadPool(int n)

单线程化的线程池

Executors.newSingleThreadExecutor()

缓冲队列

BlockingQueue是双端队列。

• ArrayBlockingQueue 有界队列
• LinkedBlockingQueue 无界队列
• PriorityBlockingQueue
• SynchronizedQueue

假设队列大小为 10，corePoolSize 为 3，maximumPoolSize 为 6，那么当加入 20 个任务时，执行的顺序就是这样的：首先执行任务 1、2、3，然后任务 4~13 被放入队列。这时候队列满了，任务 14、15、16 会被马上执行，而任务 17~20 则会抛出异常。

最终执行顺序大略是：1、2、3、14、15、16、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13。

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