【Java多线程】Executor框架的详解

在Java中,使用线程来异步执行任务。Java线程的创建与销毁需要一定的开销,如果我们为每一个任务创建一个新线程来执行,这些线程的创建与销毁将消耗大量的计算资源。同时,为每一个任务创建一个新线程来执行,这种策略可能会使处于高负荷状态的应用最终崩溃。

Java线程既是工作单元,也是执行单元。从JDK1.5开始,把工作单元与执行机制分离开来。工作单元包括Runnable 和 Callable,而执行机制由Executor框架提供。

Executor框架简介

Executor框架的两级调度模型

在HotSpot VM的线程模型中,Java线程被一对一映射为本地操作系统线程。Java线程启动时会创建一个本地操作系统线程;当Java线程终止时,这个操作系统线程也会被回收。操作系统会调用所有线程并将他们分配给可用的CPU。

可以将此种模式分为两层,在上层,Java多线程程序通常把应用程序分解为若干任务,然后使用用户级的调度器(Executor框架)讲这些任务映射为固定数量的线程;在底层,操作系统内核将这些线程映射到硬件处理器上。

两级调度模型的示意图:

这里写图片描述

从图中可以看出,该框架用来控制应用程序的上层调度(下层调度由操作系统内核控制,不受应用程序的控制)。

 

Executor框架的结构和成员

Executor框架的结构

1. 任务

包括被执行任务需要实现的接口:Runnable接口和Callable接口

2. 任务的执行

包括任务执行机制的核心接口Executor,以及继承自Executor的ExecutorService接口。

Executor框架有两个关键类实现了ExecutorService接口:ThreadPoolExecutor 和 ScheduledThreadPoolExecutor

3. 异步计算的结果

包括Future和实现Future接口的FutureTask类。

Executor框架的类与接口

示意图

  • Executor是一个接口,他是Executor框架的基础,它将任务的提交与任务的执行分离。
  • ThreadPoolExecutor是线程池的核心实现类,用来执行被提交的任务。
  • ScheduledThreadPoolExecutor是一个实现类,可以在给定的延迟后运行命令,或者定期执行命令。ScheduledThreadPoolExecutor 比 Timer 更灵活,功能更强大。
  • Future接口和它的实现FutureTask类,代表异步计算的结果。
  • Runnable和Callable接口的实现类,都可以被ThreadPoolExecutor 或 ScheduledThreadPoolExecutor 执行。

 

Executor框架的使用

 先来看个图:

  1. 主线程首先要创建实现 Runnable接口或者Callable接口的任务对象。工具类Executors可以把一个Runnable对象封装为一个Callable对象
    Executors.callable(Runnale task); 
    或
    Executors.callable(Runnable task, Object resule); 
  2. 然后可以把Runnable对象直接交给ExecutorService执行
    ExecutorServicel.execute(Runnable command);
    或者也可以把Runnable对象或Callable对象提交给ExecutorService执行
    ExecutorService.submit(Runnable task);

    如果执行ExecutorService.submit(...),ExecutorService将返回一个实现Future接口的对象(到目前为止的JDK中,返回的是FutureTask对象)。由于FutureTask实现了Runnable接口,我们也可以创建FutureTask类,然后直接交给ExecutorService执行。  

  3. 最后,主线程可以执行FutureTask.get()方法来等待任务执行完成。主线程也可以执行FutureTask.cancel(boolean mayInterruptIfRunning)来取消此任务的执行。

 

 ThreadPoolExecutor详解

 Executor框架最核心的类是ThreadPoolExecutor

 ThreadPoolExecutor的组件构成

  • corePool:核心线程池的大小
  • maximumPool:最大线程池的大小
  • BlockingQueue:用来暂时保存任务的工作队列
  • RejectedExecutionHandler:当ThreadPoolExecutor已经关闭或ThreadPoolExecutor已经饱和时(达到了最大线程池的大小且工作队列已满),execute()方法将要调用的Handler。

 

Executor 可 以 创 建 3 种 类 型 的 ThreadPoolExecutor 线 程 池:

 1. FixedThreadPool

创建固定长度的线程池,每次提交任务创建一个线程,直到达到线程池的最大数量,线程池的大小不再变化。

这个线程池可以创建固定线程数的线程池。特点就是可以重用固定数量线程的线程池。它的构造源码如下:

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {  
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, 
                                      TimeUnit.MILLISECONDS,  
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());  
}  
  • FixedThreadPool的corePoolSize和maxiumPoolSize都被设置为创建FixedThreadPool时指定的参数nThreads。
  • 0L则表示当线程池中的线程数量操作核心线程的数量时,多余的线程将被立即停止
  • 最后一个参数表示FixedThreadPool使用了无界队列LinkedBlockingQueue作为线程池的做工队列,由于是无界的,当线程池的线程数达到corePoolSize后,新任务将在无界队列中等待,因此线程池的线程数量不会超过corePoolSize,同时maxiumPoolSize也就变成了一个无效的参数,并且运行中的线程池并不会拒绝任务。

FixedThreadPool运行图如下

执行过程如下:

1.如果当前工作中的线程数量少于corePool的数量,就创建新的线程来执行任务。

2.当线程池的工作中的线程数量达到了corePool,则将任务加入LinkedBlockingQueue。

3.线程执行完1中的任务后会从队列中去任务。

注意LinkedBlockingQueue是无界队列,所以可以一直添加新任务到线程池。

 

2. SingleThreadExecutor  

SingleThreadExecutor是使用单个worker线程的Executor。特点是使用单个工作线程执行任务。它的构造源码如下:

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

  

SingleThreadExecutor的corePoolSize和maxiumPoolSize都被设置1。
其他参数均与FixedThreadPool相同,其运行图如下:

 

执行过程如下:

1.如果当前工作中的线程数量少于corePool的数量,就创建一个新的线程来执行任务。

2.当线程池的工作中的线程数量达到了corePool,则将任务加入LinkedBlockingQueue。

3.线程执行完1中的任务后会从队列中去任务。

注意:由于在线程池中只有一个工作线程,所以任务可以按照添加顺序执行。

 

 3. CachedThreadPool

 CachedThreadPool是一个”无限“容量的线程池,它会根据需要创建新线程。特点是可以根据需要来创建新的线程执行任务,没有特定的corePool。下面是它的构造方法:

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());
}

  

CachedThreadPool的corePoolSize被设置为0,即corePool为空;maximumPoolSize被设置为Integer.MAX_VALUE,即maximum是无界的。这里keepAliveTime设置为60秒,意味着空闲的线程最多可以等待任务60秒,否则将被回收。
 
CachedThreadPool使用没有容量的SynchronousQueue作为主线程池的工作队列,它是一个没有容量的阻塞队列。每个插入操作必须等待另一个线程的对应移除操作。这意味着,如果主线程提交任务的速度高于线程池中处理任务的速度时,CachedThreadPool会不断创建新线程。极端情况下,CachedThreadPool会因为创建过多线程而耗尽CPU资源。其运行图如下:

 

执行过程如下:

1.首先执行SynchronousQueue.offer(Runnable task)。如果在当前的线程池中有空闲的线程正在执行SynchronousQueue.poll(),那么主线程执行的offer操作与空闲线程执行的poll操作配对成功,主线程把任务交给空闲线程执行。,execute()方法执行成功,否则执行步骤2

2.当线程池为空(初始maximumPool为空)或没有空闲线程时,配对失败,将没有线程执行SynchronousQueue.poll操作。这种情况下,线程池会创建一个新的线程执行任务。

3.在创建完新的线程以后,将会执行poll操作。当步骤2的线程执行完成后,将等待60秒,如果此时主线程提交了一个新任务,那么这个空闲线程将执行新任务,否则被回收。因此长时间不提交任务的CachedThreadPool不会占用系统资源。

SynchronousQueue是一个不存储元素阻塞队列,每次要进行offer操作时必须等待poll操作,否则不能继续添加元素。

 

参考书籍:《Java并发编程的艺术》,《Java并发编程实战》,《Java高并发程序设计》

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♥ 作者:明志健致远
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posted @ 2017-04-20 10:35  明志健致远  阅读(9597)  评论(1编辑  收藏  举报