Executor框架(一)Callable、Future、Executor和ExecutorService

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引言

Executor框架是指JDK 1.5中引入的一系列并发库中与Executor相关的功能类,包括Executor、Executors、ExecutorService、Future、Callable等。

为什么要引入Executor框架?

如果使用new Thread(...).start()的方法处理多线程,有如下缺点:

  • 开销大。对于JVM来说,每次新建线程和销毁线程都会有很大的开销。
  • 线程缺乏管理。没有一个池来限制线程的数量,如果并发量很高,会创建很多的线程,而且线程之间可能会有相互竞争,这将会过多得占用系统资源,增加系统资源的消耗量。而且线程数量超过系统负荷,容易导致系统不稳定。

使用线程池的方式,有如下优点:

  • 复用线程。通过复用创建的了的线程,减少了线程的创建、消亡的开销。
  • 有效控制并发线程数。
  • 提供了更简单灵活的线程管理。可以提供定时执行、定期执行、单线程、可变线程数等多种线程使用功能。

Executor框架的UML图

图片描述

下面开始分析一下Executor框架中几个比较重要的接口和类。

Callable

Callable 位于java.util.concurrent包下,它是一个接口,只声明了一个叫做call()的方法。

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}

Callable 接口类似于Runnable,两者都是为那些其实例可能被另一个线程执行的类设计的。和 Runnable 接口中的run()方法类似,Callable 提供一个call()方法作为线程的执行体。但是call()方法比run()方法更加强大,这要体现在:

1)call 方法可以有返回值。返回值的类型即是 Callable 接口传递进来的V类型。
2)call 方法可以声明抛出异常。

Future

Future 接口位于java.util.concurrent包下,是Java 1.5中引入的接口.
Future主要用来对具体的Runnable或者Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果。必要时可以通过get()方法获取执行结果,get()方法会阻塞直到任务返回结果。

public interface Future<V> {


    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

    boolean isCancelled();

    boolean isDone();

    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;

    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

当你提交一个Callable对象给线程池时,将得到一个Future对象,并且它和你传入的Callable示例有相同泛型。

Future 接口中的5个方法:

  • cancel方法:用来取消任务,如果取消任务成功则返回true,如果取消任务失败则返回false。
    参数mayInterruptIfRunning表示是否允许取消正在执行却没有执行完毕的任务,如果设置true,则表示可以取消正在执行过程中的任务。
    如果任务已经完成,则无论mayInterruptIfRunning为true还是false,此方法肯定返回false,即如果取消已经完成的任务会返回false;
    如果任务正在执行,若mayInterruptIfRunning设置为true,则返回true,若mayInterruptIfRunning设置为false,则返回false;
    如果任务还没有执行,则无论mayInterruptIfRunning为true还是false,肯定返回true。
  • isCancelled方法:表示任务是否被取消成功,如果在任务正常完成前被取消成功,则返回 true。
  • isDone方法:表示任务是否已经完成,若任务完成,则返回true;
  • get()方法:用来获取执行结果,这个方法会产生阻塞,会一直等到任务执行完毕才返回;
  • get(long timeout, TimeUnit unit):用来获取执行结果,如果在指定时间内,还没获取到结果,会抛出TimeoutException异常。

也就是说Future提供了三种功能:

1)判断任务是否完成;
2)能够中断任务;
3)能够获取任务执行结果

Executor

Executor是一个接口,它将任务的提交与任务的执行分离开来,定义了一个接收Runnable对象的方法execute。Executor是Executor框架中最基础的一个接口,类似于集合中的Collection接口。

public interface Executor {

    /**
     * Executes the given command at some time in the future.  The command
     * may execute in a new thread, in a pooled thread, or in the calling
     * thread, at the discretion of the {@code Executor} implementation.
     *
     * @param command the runnable task
     * @throws RejectedExecutionException if this task cannot be
     * accepted for execution
     * @throws NullPointerException if command is null
     */
    void execute(Runnable command);
}

ExecutorService

ExecutorService继承了Executor,是一个比Executor使用更广泛的子类接口。定义了终止任务、提交任务、跟踪任务返回结果等方法。
一个ExecutorService是可以关闭的,关闭之后它将不能再接收任何任务。对于不再使用的ExecutorService,应该将其关闭以释放资源。

ExecutorService方法介绍

package java.util.concurrent;

import java.util.List;
import java.util.Collection;

public interface ExecutorService extends Executor {

    /**
     * 平滑地关闭线程池,已经提交到线程池中的任务会继续执行完。
     */
    void shutdown();

    /**
     * 立即关闭线程池,返回还没有开始执行的任务列表。
     * 会尝试中断正在执行的任务(每个线程调用 interruput方法),但这个行为不一定会成功。
     */
    List<Runnable> shutdownNow();

    /**
     * 判断线程池是否已经关闭
     */
    boolean isShutdown();

    /**
     * 判断线程池的任务是否已经执行完毕。
     * 注意此方法调用之前需要先调用shutdown()方法或者shutdownNow()方法,否则总是会返回false
     */
    boolean isTerminated();

    /**
     * 判断线程池的任务是否都执行完。
     * 如果没有任务没有执行完毕则阻塞,直至任务完成或者达到了指定的timeout时间就会返回
     */
    boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

    /**
     * 提交带有一个返回值的任务到线程池中去执行(回调),返回的 Future 表示任务的待定结果。
     * 当任务成功完成后,通过 Future 实例的 get() 方法可以获取该任务的结果。
     * Future 的 get() 方法是会阻塞的。
     */
    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);

    /**
     *提交一个Runnable的任务,当任务完成后,可以通过Future.get()获取的是提交时传递的参数T result
     * 
     */
    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);

    /**
     * 提交一个Runnable的人无语,它的Future.get()得不到任何内容,它返回值总是Null。
     * 为什么有这个方法?为什么不直接设计成void submit(Runnable task)这种方式?
     * 这是因为Future除了get这种获取任务信息外,还可以控制任务,
     具体体现在 Future的这个方法上:boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning)
     这个方法能够去取消提交的Rannable任务。
     */
    Future<?> submit(Runnable task);

    /**
     * 执行一组给定的Callable任务,返回对应的Future列表。列表中每一个Future都将持有该任务的结果和状态。
     * 当所有任务执行完毕后,方法返回,此时并且每一个Future的isDone()方法都是true。
     * 完成的任务可能是正常结束,也可以是异常结束
     * 如果当任务执行过程中,tasks集合被修改了,那么方法的返回结果将是不确定的,
       即不能确定执行的是修改前的任务,还是修改后的任务
     */
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException;

    /**
     * 执行一组给定的Callable任务,返回对应的Future列表。列表中每一个Future都将持有该任务的结果和状态。
     * 当所有任务执行完毕后或者超时后,方法将返回,此时并且每一个Future的isDone()方法都是true。
     * 一旦方法返回,未执行完成的任务被取消,而完成的任务可能正常结束或者异常结束, 
     * 完成的任务可以是正常结束,也可以是异常结束
     * 如果当任务执行过程中,tasks集合被修改了,那么方法的返回结果将是不确定的
     */
    <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                                  long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

    /**
     * 执行一组给定的Callable任务,当成功执行完(没抛异常)一个任务后此方法便返回,返回的是该任务的结果
     * 一旦此正常返回或者异常结束,未执行的任务都会被取消。 
     * 如果当任务执行过程中,tasks集合被修改了,那么方法的返回结果将是不确定的
     */
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
        throws InterruptedException, ExecutionException;

    /**
     * 执行一组给定的Callable任务,当在timeout(超时)之前成功执行完(没抛异常)一个任务后此方法便返回,返回的是该任务的结果
     * 一旦此正常返回或者异常结束,未执行的任务都会被取消。 
     * 如果当任务执行过程中,tasks集合被修改了,那么方法的返回结果将是不确定的
     */
    <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                    long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

shutdown() 和 shutdownNow() 是用来关闭连接池的两个方法,而且这两个方法都是在当前线程立即返回,不会阻塞至线程池中的方法执行结束。调用这两个方法之后,连接池将不能再接受任务。
下面给写几个示例来加深ExecutorService的方法的理解。
先写两个任务类:ShortTask和LongTask,这两个类都继承了Runnable接口,ShortTask的run()方法执行很快,LongTask的run()方法执行时间为10s。

public class LongTask implements Runnable {


    @Override
    public void run() {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(10L);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("complete a long task");
    }

}
public class ShortTask implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("complete a short task...");
    }
    
}

测试shutdown()方法

    @Test
    public void testShutdown() throws InterruptedException {
        ExecutorService threadpool = Executors.newFixedThreadPool(4);
        //将4个任务提交到有4个线程的线程池
        threadpool.submit(new ShortTask());
        threadpool.submit(new ShortTask());
        threadpool.submit(new LongTask());
        threadpool.submit(new ShortTask());

        //关闭线程池
        threadpool.shutdown();

        boolean isShutdown = threadpool.isShutdown();
        System.out.println("线程池是否已经关闭:" + isShutdown);

        final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");
        while (!threadpool.awaitTermination(1L, TimeUnit.SECONDS)) {
            System.out.println("线程池中还有任务在执行,当前时间:" + sdf.format(new Date()));
        }

        System.out.println("线程池中已经没有在执行的任务,线程池已完全关闭!");
    }

控制台输出的结果:

complete a short task...
线程池是否已经关闭:true
complete a short task...
complete a short task...
线程池中还有任务在执行,当前时间:19:53:08
线程池中还有任务在执行,当前时间:19:53:09
线程池中还有任务在执行,当前时间:19:53:10
线程池中还有任务在执行,当前时间:19:53:11
线程池中还有任务在执行,当前时间:19:53:12
线程池中还有任务在执行,当前时间:19:53:13
线程池中还有任务在执行,当前时间:19:53:14
线程池中还有任务在执行,当前时间:19:53:15
线程池中还有任务在执行,当前时间:19:53:16
complete a long task
线程池中已经没有在执行的任务,线程池已完全关闭!

测试shutdownNow()方法

    @Test
    public void testShutdownNow() throws InterruptedException {
        ExecutorService threadpool = Executors.newFixedThreadPool(3);
        //将5个任务提交到有3个线程的线程池
        threadpool.submit(new LongTask());
        threadpool.submit(new LongTask());
        threadpool.submit(new LongTask());
        threadpool.submit(new LongTask());
        threadpool.submit(new LongTask());

        //主线程睡眠2秒钟,让3个线程池的任务都开始执行
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1L);

        //关闭线程池
        List<Runnable> waiteRunnables = threadpool.shutdownNow();
        System.out.println("还没有执行的任务数:" + waiteRunnables.size());

        boolean isShutdown = threadpool.isShutdown();
        System.out.println("线程池是否已经关闭:" + isShutdown);

        final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");
        while (!threadpool.awaitTermination(1L, TimeUnit.SECONDS)) {
            System.out.println("线程池中还有任务在执行,当前时间:" + sdf.format(new Date()));
        }

        System.out.println("线程池中已经没有在执行的任务,线程池已完全关闭!");
    }

控制台输出:

java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at java.lang.Thread.sleep(Thread.java:340)
    at java.util.concurrent.TimeUnit.sleep(TimeUnit.java:386)
    at com.lzumetal.multithread.threadpooltest.LongTask.run(LongTask.java:11)
    at java.util.concurrent.Executors$RunnableAdapter.call(Executors.java:511)
    at java.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java:266)
还没有执行的任务数:2
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
线程池是否已经关闭:true
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
complete a long task
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
complete a long task
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
complete a long task
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at java.lang.Thread.sleep(Thread.java:340)
    at java.util.concurrent.TimeUnit.sleep(TimeUnit.java:386)
    at com.lzumetal.multithread.threadpooltest.LongTask.run(LongTask.java:11)
    at java.util.concurrent.Executors$RunnableAdapter.call(Executors.java:511)
    at java.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java:266)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at java.lang.Thread.sleep(Thread.java:340)
    at java.util.concurrent.TimeUnit.sleep(TimeUnit.java:386)
    at com.lzumetal.multithread.threadpooltest.LongTask.run(LongTask.java:11)
    at java.util.concurrent.Executors$RunnableAdapter.call(Executors.java:511)
    at java.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java:266)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
线程池中已经没有在执行的任务,线程池已完全关闭!

从上面我们看到当调用了试图shutdownNow()后,那三个执行的任务都被interrupt了。而且awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)方法返回的是true。

测试submit(Callable<T> task)方法

Callabel任务类:

package com.lzumetal.multithread.threadpooltest;

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class CallableTask implements Callable<String> {

    @Override
    public String call() throws Exception {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(5L);
        return "success";
    }


}

测试:

    @Test
    public void testSubmitCallable() {

        ExecutorService threadpool = null;
        try {

            threadpool = Executors.newFixedThreadPool(3);

            final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");
            System.out.println("提交一个callable任务到线程池,现在时间是:" + sdf.format(new Date()));

            Future<String> future = threadpool.submit(new CallableTask());

            System.out.println("获取callable任务的结果:" + future.get() + ",现在时间是:" + sdf.format(new Date()));
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (threadpool != null) {
                threadpool.shutdown();
            }
        }

    }

控制台输出:

提交一个callable任务到线程池,现在时间是:20:25:27
获取callable任务的结果:success,现在时间是:20:25:32
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