Java 8 并发: Threads 和 Executors

原文地址： Java 8 Concurrency Tutorial: Threads and Executors

Java 5 初次引入了Concurrency API，并在随后的发布版本中不断优化和改进。这篇文章的大部分概念也适用于老的版本。我的代码示例主要聚焦在Java 8上，并大量适用 lambda 表达式和一些新特性。如果你还不熟悉 lambda 表达式，建议先阅读 Java 8 Tutorial。

Threads 和 Runnables

所有现代操作系统都是通过进程和线程来支持并发的。进程通常是相互独立运行的程序实例。例如，你启动一个 Java 程序，操作系统会产生一个新的进程和其他程序并行运行。在这些进程中可以利用线程同时执行代码。这样我们就可以充分利用 CPU。

Java 从 JDK 1.0 开始就支持线程。在开始一个新线程之前，必须先指定运行的代码，通常称为 Task。下面是通过实现 Runnable 接口来启动一个新线程的例子：

Runnable task = () -> {
    String threadName = Thread.currentThread().getName();
    System.out.println("Hello " + threadName);
};

task.run();

Thread thread = new Thread(task);
thread.start();

System.out.println("Done!");

由于 Runnable 是一个函数式接口，我们可以使用 lambda 表达式来打印线程的名字到控制台。我们直接在主线程上执行Runnable，然后开始一个新线程。在控制台你将看到这样的结果：

Hello main
Hello Thread-0
Done!

或者：

Hello main
Done!
Hello Thread-0

由于是并发执行，我们无法预测 Runnable 是在打印 Done 之前还是之后调用，顺序不是不确定的，因此并发编程成为大型应用程序开发中一项复杂的任务。

线程也可以休眠一段时间，例如下面的例子：

Runnable runnable = () -> {
    try {
        String name = Thread.currentThread().getName();
        System.out.println("Foo " + name);
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        System.out.println("Bar " + name);
    }
    catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
};

Thread thread = new Thread(runnable);
thread.start();

执行上面的代码会在两个打印语句之间停留1秒钟。TimeUnit 是一个时间单位的枚举，或者可以通过调用 Thread.sleep(1000) 实现。

使用 Thread 类可能非常繁琐且容易出错。由于这个原因，在2004年，Java 5版本引入了 Concurrency API。API 位于 java.util.concurrent 包下，包含了许多有用的有关并发编程的类。从那时起，每个新发布的 Java 版本都增加了并发 API，Java 8 也提供了新的类和方法来处理并发。

现在我们来深入了解一下Concurrency API中最重要的部分 - executor services。

Executors

Concurrency API 引入了 ExecutorService 的概念，作为处理线程的高级别方式用来替代 Threads。 Executors 能够异步的执行任务，并且通常管理一个线程池。这样我们就不用手动的去创建线程了，线程池中的所有线程都将被重用。从而可以在一个
executor service 的整个应用程序生命周期中运行尽可能多的并发任务。

下面是一个简单的 executors 例子：

ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
executor.submit(() -> {
    String threadName = Thread.currentThread().getName();
    System.out.println("Hello " + threadName);
});

// => Hello pool-1-thread-1

Executors 类提供了方便的工厂方法来创建不同类型的 executor services 。在这个例子中使用了只执行一个线程的 executor。

执行结果看起来和上面的示例类似，但是你会注意到一个重要区别：Java 进程永远不会停止，执行者必须明确的停止它，否则它会不断的接受新的任务。

ExecutorService 为此提供了两种方法：shutdown() 等待当前任务执行完毕，而 shutdownNow() 则中断所有正在执行的任务，并立即关闭执行程序。在 shudown 之后不能再提交任务到线程池。

下面是我关闭程序的首选方式：

try {
    System.out.println("attempt to shutdown executor");
    executor.shutdown();
    executor.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS);
}
catch (InterruptedException e) {
    System.err.println("tasks interrupted");
}
finally {
    if (!executor.isTerminated()) {
        System.err.println("cancel non-finished tasks");
    }
    executor.shutdownNow();
    System.out.println("shutdown finished");
}

执行者调用 shutdown 关闭 executor，在等待 5 秒钟钟后，不管任务有没有执行完毕都调用 shutdownNow 中断正在执行的任务而关闭。

Callables 和 Futures

除了 Runnable 以外，executors 还支持 Callable 任务，和 Runnable 一样是一个函数式接口，但它是有返回值的。

下面是一个使用 lambda 表达式定义的 Callable ，在睡眠 1 秒后返回一个整形值。

Callable<Integer> task = () -> {
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        return 123;
    }
    catch (InterruptedException e) {
        throw new IllegalStateException("task interrupted", e);
    }
};

和 Runnable 一样，Callable 也可以提交到 executor services，但是执行的结果是什么？由于 submit() 不等待任务执行完成，executor service 不能直接返回调用的结果。相对应的，它返回一个 Future 类型的结果，使用 Future 可以检索实际执行结果。

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
Future<Integer> future = executor.submit(task);

System.out.println("future done? " + future.isDone());

Integer result = future.get();

System.out.println("future done? " + future.isDone());
System.out.print("result: " + result);

在将 Callable 提交给 executor 后，首先通过 isDone() 来检查 future 是否执行完毕。我敢肯定，情况并非如此，因为上面的调用在返回整数之前睡眠了 1 秒钟。

调用方法 get() 会阻塞当前线程，直到 callable 执行完成返回结果，现在 future 执行完成，并在控制台输出下面的结果：

future done? false
future done? true
result: 123

Future 与 executor service 紧密结合，如果关闭 executor service， 每个 Future 都会抛出异常。

executor.shutdownNow();
future.get();

这里创建 executor 的方式与前面的示例不同，这里使用 newFixedThreadPool(1) 来创建一个线程数量为 1 的线程池来支持 executor， 这相当于 newSingleThreadExecutor() ，稍后我们我们会通过传递一个大于 1 的值来增加线程池的大小。

Timeouts

任何对 future.get()的调用都会阻塞并等待 Callable 被终止。 在最坏的情况下，一个可调用函数将永远运行，从而使应用程序无法响应。可以简单地通过超时来抵消这些情况：

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);

Future<Integer> future = executor.submit(() -> {
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        return 123;
    }
    catch (InterruptedException e) {
        throw new IllegalStateException("task interrupted", e);
    }
});

future.get(1, TimeUnit.SECONDS);

执行上面的代码会抛出 TimeoutException

Exception in thread "main" java.util.concurrent.TimeoutException
    at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:205)

指定了 1 秒钟的最长等待时间，但是在返回结果之前，可调用事实上需要 2 秒钟的时间。

InvokeAll

Executors 支持通过 invokeAll() 批量提交多个 Callable 。这个方法接受一个 Callable 类型集合的参数，并返回一个 Future 类型的 List。

ExecutorService executor = Executors.newWorkStealingPool();

List<Callable<String>> callables = Arrays.asList(
        () -> "task1",
        () -> "task2",
        () -> "task3");

executor.invokeAll(callables)
    .stream()
    .map(future -> {
        try {
            return future.get();
        }
        catch (Exception e) {
            throw new IllegalStateException(e);
        }
    })
    .forEach(System.out::println);

在这个例子中，我们利用 Java 8 的流来处理 invokeAll 调用返回的所有 Future。 我们首先映射每个 Future 的返回值，然后将每个值打印到控制台。 如果还不熟悉流，请阅读Java 8 Stream Tutorial。

InvokeAny

批量提交可调用的另一种方法是 invokeAny()，它与 invokeAll() 略有不同。 该方法不会返回所有的 Future 对象，它只返回第一个执行完毕任务的结果。

Callable<String> callable(String result, long sleepSeconds) {
    return () -> {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(sleepSeconds);
        return result;
    };
}

我们使用这种方法来创建一个有三个不同睡眠时间的 Callable。 通过 invokeAny()将这些可调用对象提交给 executor ，返回最快执行完毕结果，在这种情况下，task2：

ExecutorService executor = Executors.newWorkStealingPool();

List<Callable<String>> callables = Arrays.asList(
    callable("task1", 2),
    callable("task2", 1),
    callable("task3", 3));

String result = executor.invokeAny(callables);
System.out.println(result);

// => task2

上面的例子使用通过 newWorkStealingPool() 创建的另一种类型的 executor。 这个工厂方法是 Java 8 的一部分，并且返回一个类型为 ForkJoinPool的 executor，它与正常的 executor 略有不同。 它不使用固定大小的线程池，默认情况下是主机CPU的可用内核数。

Scheduled Executors

我们已经学会了如何在 Executors 上提交和运行任务。 为了多次定期运行任务，我们可以使用 scheduled thread pools。

ScheduledExecutorService 能够安排任务定期运行或在一段时间过后运行一次。

下面代码示例一个任务在三秒钟后运行：

ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(1);

Runnable task = () -> System.out.println("Scheduling: " + System.nanoTime());
ScheduledFuture<?> future = executor.schedule(task, 3, TimeUnit.SECONDS);

TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1337);

long remainingDelay = future.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS);
System.out.printf("Remaining Delay: %sms", remainingDelay);

调度任务产生一个类型为 ScheduledFuture的值，除了 Future 之外，它还提供getDelay() 方法来检索任务执行的剩余时间。

为了定时执行的任务，executor 提供了两个方法 scheduleAtFixedRate() 和
scheduleWithFixedDelay() 。 第一种方法能够执行具有固定时间间隔的任务，例如， 每秒一次：

ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(1);

Runnable task = () -> System.out.println("Scheduling: " + System.nanoTime());

int initialDelay = 0;
int period = 1;
executor.scheduleAtFixedRate(task, initialDelay, period, TimeUnit.SECONDS);

此外，此方法还可以设置延迟时间，该延迟描述了首次执行任务之前的等待时间。

scheduleWithFixedDelay() 方法与 scheduleAtFixedRate() 略有不同，不同之处是它们的等待时间，scheduleWithFixedDelay() 的等待时间是在上一个任务结束和下一个任务开始之间施加的。

ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(1);

Runnable task = () -> {
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        System.out.println("Scheduling: " + System.nanoTime());
    }
    catch (InterruptedException e) {
        System.err.println("task interrupted");
    }
};

executor.scheduleWithFixedDelay(task, 0, 1, TimeUnit.SECONDS);

本示例在执行结束和下一次执行开始之间延迟 1 秒。 初始延迟为 0，任务持续时间为 2 秒。 所以我们结束了一个0s，3s，6s，9s等的执行间隔。