【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。
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:
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)。
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。
示意图
先来看个图:
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Executors.callable(Runnale task);
或
Executors.callable(Runnable task, Object resule);
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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);
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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。
Executor框架最核心的类是ThreadPoolExecutor
Executor 可 以 创 建 3 种 类 型 的ThreadPoolExecutor线 程 池:
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:
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public static ExecutorService newFixedThreadPool( int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L,
TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
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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。
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:
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public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
( new ThreadPoolExecutor( 1 , 1 ,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
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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。
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:
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public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor( 0 , Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
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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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