java多线程系列：Executors框架
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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
| 参数 | 类型 | 含义 |
|---|---|---|
| corePoolSize | int | 核心线程数 |
| maximumPoolSize | int | 最大线程数 |
| keepAliveTime | long | 存活时间 |
| unit | TimeUnit | 时间单位 |
| workQueue | BlockingQueue | 存放线程的队列 |
| threadFactory | ThreadFactory | 创建线程的工厂 |
| handler | RejectedExecutionHandler | 多余的的线程处理器（拒绝策略） |
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
GitHub地址
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