java多线程系列：Executors框架

Executor接口介绍

Executor是一个接口，里面提供了一个execute方法，该方法接收一个Runable参数，如下

public interface Executor {    void execute(Runnable command);
}

Executor框架的常用类和接口结构图

线程对象及线程执行返回的对象

线程对象

线程对象就是提交给线程池的任务，可以实现Runable接口或Callable接口。或许这边会产生一个疑问，为什么Runable接口和Callable接口没有任何关联，却都能作为任务来执行？大家可以思考下，文章的结尾会对此进行说明

Future接口

Future接口和FutureTask类是用来接收线程异步执行后返回的结果，可以看到下方ExecutorService接口的submit方法返回的就是Future。

ExecutorService常用接口介绍

接下来我们来看看继承了Executor接口的ExecutorService

public interface ExecutorService extends Executor {    //正常关闭（不再接收新任务，执行完队列中的任务）
    void shutdown();    //强行关闭（关闭当前正在执行的任务，返回所有尚未启动的任务清单）
    List<Runnable> shutdownNow();    boolean isShutdown();    boolean isTerminated();

    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);

    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);

    Future<?> submit(Runnable task);
    ...
}

ThreadPoolExecutor构造函数介绍

在介绍穿件线程池的方法之前要先介绍一个类ThreadPoolExecutor，应为Executors工厂大部分方法都是返回ThreadPoolExecutor对象，先来看看它的构造函数吧

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

参数介绍

创建线程池的一些方法介绍

为什么要讲ExecutorService接口呢？是因为我们使用Executors的方法时返回的大部分都是ExecutorService。
Executors提供了几个创建线程池方法,接下来我就介绍一下这些方法

newFixedThreadPool(int nThreads)创建一个线程的线程池，若空闲则执行，若没有空闲线程则暂缓在任务队列中。newWorkStealingPool()创建持有足够线程的线程池来支持给定的并行级别，并通过使用多个队列，减少竞争，它需要穿一个并行级别的参数，如果不传，则被设定为默认的CPU数量。newSingleThreadExecutor()该方法返回一个固定数量的线程池  
该方法的线程始终不变，当有一个任务提交时，若线程池空闲，则立即执行，若没有，则会被暂缓在一个任务队列只能怪等待有空闲的线程去执行。newCachedThreadPool() 返回一个可根据实际情况调整线程个数的线程池，不限制最大线程数量，若有空闲的线程则执行任务，若无任务则不创建线程，并且每一个空闲线程会在60秒后自动回收。newScheduledThreadPool(int corePoolSize)返回一个SchededExecutorService对象，但该线程池可以设置线程的数量，支持定时及周期性任务执行。 
newSingleThreadScheduledExecutor()创建一个单例线程池，定期或延时执行任务。

下面讲解下几个常用的方法，创建单个的就不说明了

newFixedThreadPool方法

该方法创建指定线程数量的线程池，没有限制可存放的线程数量（无界队列），适用于线程任务执行较快的场景。

看看Executors工厂内部是如何实现的

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {    return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,                                  0L, TimeUnit.MILLISECONDS,                                  new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

可以看到返回的是一个ThreadPoolExecutor对象，核心线程数和是最大线程数都是传入的参数，存活时间是0，时间单位是毫秒，阻塞队列是无界队列LinkedBlockingQueue。

由于队列采用的是无界队列LinkedBlockingQueue，最大线程数maximumPoolSize和keepAliveTime都是无效参数，拒绝策略也将无效，为什么？

这里又延伸出一个问题，无界队列说明任务没有上限，如果执行的任务比较耗时，那么新的任务会一直存放在线程池中，线程池的任务会越来越多，将会导致什么后果？下面的代码可以试试

public class Main {    public static void main(String[] args){
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(Runtime.getRuntime().availableProcessors());        while (true){
            pool.submit(new Runnable() {                @Override
                public void run() {                    try {
                        Thread.sleep(10000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }

    }
}

示例代码

public class Main {    public static void main(String[] args){
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(4);        for (int i = 0; i < 8; i++) {            int finalI = i + 1;
            pool.submit(() -> {                try {
                    System.out.println("任务"+ finalI +":开始等待2秒,时间:"+LocalTime.now()+",当前线程名："+Thread.currentThread().getName());
                    Thread.sleep(2000);
                    System.out.println("任务"+ finalI +":结束等待2秒,时间:"+LocalTime.now()+",当前线程名："+Thread.currentThread().getName());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });

        }
        pool.shutdown();
    }
}

输出结果

任务4:开始等待2秒,时间:17:13:22.048,当前线程名：pool-1-thread-4任务2:开始等待2秒,时间:17:13:22.048,当前线程名：pool-1-thread-2任务3:开始等待2秒,时间:17:13:22.048,当前线程名：pool-1-thread-3任务1:开始等待2秒,时间:17:13:22.048,当前线程名：pool-1-thread-1任务2:结束等待2秒,时间:17:13:24.048,当前线程名：pool-1-thread-2任务3:结束等待2秒,时间:17:13:24.048,当前线程名：pool-1-thread-3任务1:结束等待2秒,时间:17:13:24.048,当前线程名：pool-1-thread-1任务4:结束等待2秒,时间:17:13:24.048,当前线程名：pool-1-thread-4任务6:开始等待2秒,时间:17:13:24.049,当前线程名：pool-1-thread-4任务7:开始等待2秒,时间:17:13:24.049,当前线程名：pool-1-thread-1任务5:开始等待2秒,时间:17:13:24.049,当前线程名：pool-1-thread-3任务8:开始等待2秒,时间:17:13:24.049,当前线程名：pool-1-thread-2任务5:结束等待2秒,时间:17:13:26.050,当前线程名：pool-1-thread-3任务7:结束等待2秒,时间:17:13:26.050,当前线程名：pool-1-thread-1任务8:结束等待2秒,时间:17:13:26.051,当前线程名：pool-1-thread-2任务6:结束等待2秒,时间:17:13:26.050,当前线程名：pool-1-thread-4

可以看出任务1-4在同一时间执行，在2秒后执行完毕，同时开始执行任务5-8。说明方法内部只创建了4个线程，其他任务存放在队列中等待执行。

newCachedThreadPool方法

newCachedThreadPool方法创建的线程池会根据需要自动创建新线程。

看看Executors工厂内部是如何实现的

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

newCachedThreadPool方法也是返回ThreadPoolExecutor对象，核心线程是0，最大线程数是Integer的最MAX_VALUE，存活时间是60，时间单位是秒，SynchronousQueue队列。

从传入的参数可以得知，在newCachedThreadPool方法中的空闲线程存活时间时60秒，一旦超过60秒线程就会被终止。这边还隐含了一个问题，如果执行的线程较慢，而提交任务的速度快于线程执行的速度，那么就会不断的创建新的线程，从而导致cpu和内存的增长。

代码和newFixedThreadPool一样循环添加新的线程任务,我的电脑运行就会出现如下错误

An unrecoverable stack overflow has occurred.Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread
    at java.lang.Thread.start0(Native Method)    at java.lang.Thread.start(Thread.java:714)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.addWorker(ThreadPoolExecutor.java:950)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.execute(ThreadPoolExecutor.java:1368)
    at java.util.concurrent.AbstractExecutorService.submit(AbstractExecutorService.java:112)
    at com.learnConcurrency.executor.cachedThreadPool.Main.main(Main.java:11)Process finished with exit code -1073741571 (0xC00000FD)

关于SynchronousQueue队列，它是一个没有容量的阻塞队列，任务传递的示意图如下

示例代码

public class Main {    public static void main(String[] args) throws Exception{
        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();        for (int i = 0; i < 8; i++) {            int finalI = i + 1;
            pool.submit(() -> {                try {
                    System.out.println("任务"+ finalI +":开始等待60秒,时间:"+LocalTime.now()+",当前线程名："+Thread.currentThread().getName());
                    Thread.sleep(60000);
                    System.out.println("任务"+ finalI +":结束等待60秒,时间:"+LocalTime.now()+",当前线程名："+Thread.currentThread().getName());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });            //睡眠10秒
            Thread.sleep(10000);
        }
        pool.shutdown();
    }
}

执行结果

任务1:开始等待60秒,时间:17:15:21.570,当前线程名：pool-1-thread-1任务2:开始等待60秒,时间:17:15:31.553,当前线程名：pool-1-thread-2任务3:开始等待60秒,时间:17:15:41.555,当前线程名：pool-1-thread-3任务4:开始等待60秒,时间:17:15:51.554,当前线程名：pool-1-thread-4任务5:开始等待60秒,时间:17:16:01.554,当前线程名：pool-1-thread-5任务6:开始等待60秒,时间:17:16:11.555,当前线程名：pool-1-thread-6任务7:开始等待60秒,时间:17:16:21.555,当前线程名：pool-1-thread-7任务1:结束等待60秒,时间:17:16:21.570,当前线程名：pool-1-thread-1任务2:结束等待60秒,时间:17:16:31.554,当前线程名：pool-1-thread-2任务8:开始等待60秒,时间:17:16:31.556,当前线程名：pool-1-thread-2任务3:结束等待60秒,时间:17:16:41.555,当前线程名：pool-1-thread-3任务4:结束等待60秒,时间:17:16:51.556,当前线程名：pool-1-thread-4任务5:结束等待60秒,时间:17:17:01.556,当前线程名：pool-1-thread-5任务6:结束等待60秒,时间:17:17:11.555,当前线程名：pool-1-thread-6任务7:结束等待60秒,时间:17:17:21.556,当前线程名：pool-1-thread-7任务8:结束等待60秒,时间:17:17:31.557,当前线程名：pool-1-thread-2

示例代码中每个任务都睡眠60秒，每次循环添加任务睡眠10秒，从执行结果来看，添加的7个任务都是由不同的线程来执行，而此时线程1和2都执行完毕，任务8添加进来由之前创建的pool-1-thread-2执行。

newScheduledThreadPool方法

这个线程池主要用来延迟执行任务或者定期执行任务。

看看Executors工厂内部是如何实现的

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {    return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}

这里返回的是ScheduledThreadPoolExecutor对象，我们继续深入进去看看

public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {    super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,          new DelayedWorkQueue());
}

这里调用的是父类的构造函数，ScheduledThreadPoolExecutor的父类是ThreadPoolExecutor，所以返回的也是ThreadPoolExecutor对象。核心线程数是传入的参数corePoolSize，线程最大值是Integer的MAX_VALUE，存活时间时0，时间单位是纳秒，队列是DelayedWorkQueue。

public class ScheduledThreadPoolExecutor
        extends ThreadPoolExecutor
        implements ScheduledExecutorService {}

下面是ScheduledExecutorService的一些方法

public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService {    //delay延迟时间，unit延迟单位，只执行1次，在经过delay延迟时间之后开始执行
    public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,long delay, TimeUnit unit);    public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable,long delay, TimeUnit unit);    //首次执行时间时然后在initialDelay之后，然后在initialDelay+period 后执行，接着在 initialDelay + 2 * period 后执行，依此类推
    public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,long initialDelay,                                                  long period,
                                                  TimeUnit unit);    //首次执行时间时然后在initialDelay之后，然后延迟delay时间执行
    public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,                                                     long initialDelay,                                                     long delay,
                                                     TimeUnit unit);
}

疑问解答

Runable接口和Callable接口

那么就从提交任务入口看看吧

submit方法是由抽象类AbstractExecutorService实现的

public Future<?> submit(Runnable task) {    if (task == null) throw new NullPointerException();
    RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);    execute(ftask);    return ftask;
}public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {    if (task == null) throw new NullPointerException();
    RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);    execute(ftask);    return ftask;
}

可以看出将传入的Runnable对象和Callable传入一个newTaskFor方法，然后返回一个RunnableFuture对象

我们再来看看newTaskFor方法

protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) {    return new FutureTask<T>(runnable, value);
}protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {    return new FutureTask<T>(callable);
}

这里都是调用FutureTask的构造函数，我们接着往下看

private Callable<V> callable;public FutureTask(Callable<V> callable) {    if (callable == null)        throw new NullPointerException();    this.callable = callable;    this.state = NEW;      
}public FutureTask(Runnable runnable, V result) {    this.callable = Executors.callable(runnable, result);    this.state = NEW;       
}

FutureTask类中有个成员变量callable，而传入的Runnable对象则继续调用Executors工厂类的callable方法返回一个Callable对象

public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {    if (task == null)        throw new NullPointerException();    return new RunnableAdapter<T>(task, result);
}//适配器static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> {    final Runnable task;    final T result;    RunnableAdapter(Runnable task, T result) {        this.task = task;        this.result = result;
    }    public T call() {
        task.run();        return result;
    }
}

好了，到这里也就真相大白了，Runnable对象经过一系列的方法调用，最终被RunnableAdapter适配器适配成Callable对象。方法调用图如下

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觉得不错的点个star

下一篇会介绍下自定义线程池，后续也会更新newWorkStealingPool方法介绍

参考资料

[1] Java 并发编程的艺术

[2] Java 并发编程实战

作者： 云枭zd
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出处： https://www.cnblogs.com/fixzd/
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