【Executor框架】簡介——兩級調度模型、結構、框架主要成員

目錄

1 前言

2 Executor框架的兩級調度模型

3 Executor框架的結構

3.1 類與接口

3.2 組成部分

3.3 使用介紹

4 Executor框架的成員

4.1 ThreadPoolExecutor

4.2 ScheduledThreadPoolExecutor

4.3 Future接口

4.4 Runnable接口和 Callable接口

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1 前言

在Java中，使用線程來異步執行任務。Java線程的創建與銷燬需要一定的開銷，如果我們爲每一個任務創建一個新線程來執行，這些線程的創建與銷燬將消耗大量的計算資源。同時，爲每一個任務創建一個新線程來執行，這種策略可能會使處於高負荷狀態的應用最終崩潰。

Java的線程既是工作單元，也是執行機制，線程中定義的run方法即是工作單元的內容，線程最後調用自己的start()來執行自己。從 JDK 5 開始，把 工作單元 與 執行機制 分離開來。工作單元包括Runnable和Callable，執行機制由Executor框架提供。

2 Executor框架的兩級調度模型

在HotSpot VM的線程模型中，Java線程（java.lang.Thread）被 一對一映射爲本地操作系統線程。Java線程啓動時會創建一個本地操作系統線程；當該Java線程終止時，這個操作系統線程也會被回收。操作系統會調度所有線程並將它們分配給可用的CPU。
       在上層，Java多線程程序通常把應用分解爲若干個任務，然後使用用戶級的調度器（Executor框架）將這些任務映射爲固定數量的線程；在底層，操作系統內核將這些線程映射到硬件處理器上。這種兩級調度模型的示意圖下面有介紹。
       從下圖中可以看出，應用程序通過Executor框架控制上層的調度；而下層的調度由操作系統內核控制，下層的調度不受應用程序的控制。

3 Executor框架的結構

3.1 類與接口

Executor框架的類繼承實現圖如下：

下面是這些類和接口的簡介：

• Executor是一個接口，它是Executor框架的基礎，它將任務的提交與任務的執行分離開來。
• ThreadPoolExecutor 是線程池的核心實現類，用來執行被提交的任務。
• ScheduledThreadPoolExecutor 是一個實現類，可以在給定的延遲後運行命令，或者定期執行命令。ScheduledThreadPoolExecutor比Timer更靈活，功能更強大。
• Future接口和實現Future接口的FutureTask類，代表異步計算的結果。
• Runnable接口和Callable接口的實現類，都可以被ThreadPoolExecutor 或ScheduledThreadPoolExecutor執行。
   

3.2 組成部分

Executor框架主要由下面3大部分組成：

• 任務。包括被執行任務需要實現的接口：Runnable接口 或 Callable接口。
• 任務的執行。包括任務執行機制的核心接口Executor，以及繼承自Executor的ExecutorService接口。Executor框架有兩個關鍵類實現了ExecutorService接口（ThreadPoolExecutor 和 ScheduledThreadPoolExecutor）。
• 異步計算的結果。包括接口Future和實現Future接口的FutureTask類。

3.3 使用介紹

1. 主線程首先要創建實現Runnable或者Callable接口的任務對象。

工具類Executors可以通過以下兩個方法把一個Runnable對象封裝爲一個Callable對象：

• Executors.callable(Runnable task)
• Executors.callable(Runnable task, Object resule)。

2. 然後可以把Runnable對象直接交給ExecutorService執行ExecutorService.execute(Runnable command)；或者也可以把Runnable對象或Callable對象提交給ExecutorService 執行 ExecutorService.submit(Runnable task) 或 ExecutorService.submit(Callable<T>task)。

如果執行ExecutorService.submit(…)，ExecutorService 將返回一個實現 Future 接口的對象（到目前爲止的JDK中，返回的是FutureTask對象）。由於FutureTask實現了Runnable，程序員也可以創建FutureTask，然後直接交給ExecutorService執行。

3. 最後，主線程可以執行 FutureTask.get() 方法來等待任務執行完成。主線程也可以執行FutureTask.cancel(boolean mayInterruptIfRunning)來取消此任務的執行。

4 Executor框架的成員

這裏將介紹Executor框架的主要成員：ThreadPoolExecutor、ScheduledThreadPoolExecutor、Future接口、Runnable接口、Callable接口、Executors。

4.1 ThreadPoolExecutor

通常使用工廠類Executors來創建。Executors可以創建3種類型的ThreadPoolExecutor：

• SingleThreadExecutor：適用於需要保證順序地執行各個任務；並且在任意時間點，不會有多個線程是活動的應用場景。

下面是Executors提供的，創建使用單個線程的SingleThreadExecutor的API。

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
    return new Executors.FinalizableDelegatedExecutorService(
            new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue())
    );
}
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory var0) {
    return new Executors.FinalizableDelegatedExecutorService(
            new ThreadPoolExecutor(1, 1, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue(), var0)
    );
}

• FixedThreadPool：適用於爲了滿足資源管理的需求，而需要限制當前線程數量的應用場景，它適用於負載比較重的服務器。

下面是Executors提供的，創建使用固定線程數的FixedThreadPool的API：

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int var0) {
    return new ThreadPoolExecutor(var0, var0, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue());
}
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int var0, ThreadFactory var1) {
    return new ThreadPoolExecutor(var0, var0, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue(), var1);
}

• CachedThreadPool：是大小無界的線程池，適用於執行很多的短期異步任務的小程序，或者是負載較輕的服務器。

下面是Executors提供的，創建一個會根據需要創建新線程的CachedThreadPool的API。

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(0, 2147483647, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue());
}
public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory var0) {
    return new ThreadPoolExecutor(0, 2147483647, 60L, TimeUnit.SECONDS, new SynchronousQueue(), var0);
}

4.2 ScheduledThreadPoolExecutor

ScheduledThreadPoolExecutor通常使用工廠類Executors來創建。Executors可以創建2種類型的ScheduledThreadPoolExecutor，如下:

• ScheduledThreadPoolExecutor。包含若干個線程的ScheduledThreadPoolExecutor，適用於需要多個後臺線程執行週期任務，同時爲了滿足資源管理的需求而需要限制後臺線程的數量的應用場景。

下面是工廠類Executors提供的，創建 固定個數 線程的ScheduledThreadPoolExecutor的API。

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int var0) {
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(var0);
}
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int var0, ThreadFactory var1) {
    return new ScheduledThreadPoolExecutor(var0, var1);
}

• SingleThreadScheduledExecutor。只包含一個線程的ScheduledThreadPoolExecutor。適用於需要單個後臺線程執行週期任務，同時需要保證順序地執行各個任務的應用場景。

下面是Executors提供的，創建單個線程的SingleThreadScheduledExecutor的API。

public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor() {
    return new Executors.DelegatedScheduledExecutorService(new ScheduledThreadPoolExecutor(1));
}
public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor(ThreadFactory var0) {
    return new Executors.DelegatedScheduledExecutorService(new ScheduledThreadPoolExecutor(1, var0));
}

4.3 Future接口

Future接口和實現Future接口的FutureTask類用來表示異步計算的結果。當我們把Runnable接口或Callable接口的實現類提交（submit）給ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor時，ThreadPoolExecutor或 ScheduledThreadPoolExecutor會向我們返回一個FutureTask對象。

下面是對應的API：

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

4.4 Runnable接口和 Callable接口

Runnable接口和Callable接口的實現類，都可以被ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor執行。它們之間的區別是Runnable不會返回結果，而Callable可以返回結果。除了可以自己創建實現Callable接口的對象外，還可以使用工廠類Executors來把一個Runnable包裝成一個Callable。

callable.call()執行時，執行的線程會阻塞知道call()返回結果，等於是同步執行；而Runnable沒有返回值，所以相對啓動它的線程是異步執行。

下面是Executors提供的，把一個Runnable包裝成一個Callable的API。

public static Callable<Object> callable(Runnable task)  // 假設返回對象Callable1

下面是Executors提供的，把一個Runnable和一個待返回的結果包裝成一個Callable的API。

public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) // 假設返回對象Callable2

前面講過，當我們把一個Callable對象（比如上面的Callable1或Callable2）提交給ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor執行時，submit(…)會向我們返回一個FutureTask對象。我們可以執行FutureTask.get()方法來 等待任務執行完成。當任務成功完成後FutureTask.get()將返回該任務的結果。