Java™ 教程（执行器）

执行器

在前面的所有示例中，由新的线程（由其Runnable对象定义）和线程本身（由Thread对象定义）完成的任务之间存在紧密的联系，这适用于小型应用程序，但在大型应用程序中，将线程管理和创建与应用程序的其余部分分开是有意义的，封装这些函数的对象称为执行器，以下小节详细描述了执行器。

• 执行器接口定义三个执行器对象类型。
• 线程池是最常见的执行器实现类型。
• Fork/Join是一个利用多个处理器的框架（JDK 7中的新增功能）。

执行器接口

java.util.concurrent包定义了三个执行器接口：

• Executor，一个支持启动新任务的简单接口。
• ExecutorService，Executor的子接口，它添加了有助于管理生命周期的功能，包括单个任务和执行器本身。
• ScheduledExecutorService，ExecutorService的子接口，支持将来和/或定期执行任务。

通常，引用执行器对象的变量被声明为这三种接口类型之一，而不是执行器类类型。

Executor接口

Executor接口提供单个方法execute，旨在成为常见线程创建语法的替代方法，如果r是Runnable对象，并且e是Executor对象，则可以替换

(new Thread(r)).start();

为

e.execute(r);

但是，execute的定义不太具体，低级别语法创建一个新线程并立即启动它，根据Executor实现，execute可能会做同样的事情，但更有可能使用现有的工作线程来运行r，或者将r放在队列中以等待工作线程变为可用（我们将在线程池的部分中描述工作线程）。

java.util.concurrent中的执行器实现旨在充分利用更高级的ExecutorService和ScheduledExecutorService接口，尽管它们也可以与基本Executor接口一起使用。

ExecutorService接口

ExecutorService接口使用类似但更通用的submit方法补充execute，与execute一样，submit接受Runnable对象，但也接受Callable对象，这允许任务返回一个值。submit方法返回一个Future对象，该对象用于检索Callable返回值并管理Callable和Runnable任务的状态。

ExecutorService还提供了提交大量Callable对象的方法，最后，ExecutorService提供了许多用于管理执行器关闭的方法，为了支持立即关闭，任务应该正确处理中断。

ScheduledExecutorService接口

ScheduledExecutorService接口使用schedule补充其父级ExecutorService的方法，在指定的延迟后执行Runnable或Callable任务，此外，接口定义了scheduleAtFixedRate和scheduleWithFixedDelay，它们以定义的间隔重复执行指定的任务。

线程池

java.util.concurrent中的大多数执行器实现都使用由工作线程组成的线程池，这种线程与它执行的Runnable和Callable任务分开存在，通常用于执行多个任务。

使用工作线程可以最小化由于创建线程而带来的开销，线程对象使用大量内存，在大型应用程序中，分配和释放许多线程对象会产生大量的内存管理开销。

一种常见类型的线程池是固定线程池，这种类型的池始终具有指定数量的线程，如果一个线程在它仍在使用时以某种方式被终止，它将自动被一个新线程替换，任务通过内部队列提交到池中，当活动任务多于线程时，该队列将保存额外的任务。

固定线程池的一个重要优点是使用它的应用程序可以优雅地降级，要理解这一点，请考虑一个Web服务器应用程序，其中每个HTTP请求都由一个单独的线程处理。如果应用程序只是为每个新的HTTP请求创建一个新线程，并且系统接收的请求数量超过了可以立即处理的数量，当所有这些线程的开销超过系统容量时，应用程序将突然停止响应所有请求。由于可以创建的线程数量有限制，应用程序不会像HTTP请求进入时那样快地为它们提供服务，而是以系统能够承受的最快速度为它们提供服务。

创建使用固定线程池的执行器的一种简单方法是在java.util.concurrent.Executors中调用newFixedThreadPool工厂方法，该类还提供以下工厂方法：

• newCachedThreadPool方法使用可扩展线程池创建执行器，此执行器适用于启动许多短期任务的应用程序。
• newSingleThreadExecutor方法创建一次执行单个任务的执行器。
• 有几个工厂方法是上述执行器的ScheduledExecutorService版本。

如果上述工厂方法提供的执行器均无法满足你的需求，构造java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor或java.util.concurrent.ScheduledThreadPoolExecutor的实例将为你提供额外选项。

Fork/Join

fork/join框架是ExecutorService接口的一个实现，可帮助你利用多个处理器，它专为可以递归分解成小块的工作而设计，目标是使用所有可用的处理能力来增强应用程序的性能。

与任何ExecutorService实现一样，fork/join框架将任务分配给线程池中的工作线程，fork/join框架是不同的，因为它使用了工作窃取算法，没有事情可做的工作线程可以从仍然忙碌的其他线程中窃取任务。

fork/join框架的中心是ForkJoinPool类，它是AbstractExecutorService类的扩展，ForkJoinPool实现了核心工作窃取算法，可以执行ForkJoinTask进程。

基础用法

使用fork/join框架的第一步是编写执行工作片段的代码，你的代码应类似于以下伪代码：

if (我的工作部分足够小)
  直接做这项工作
else
  把我的工作分成两块
  调用这两块并等待结果

将此代码包装在ForkJoinTask子类中，通常使用其更专业的类型之一，RecursiveTask（可以返回结果）或RecursiveAction。

在ForkJoinTask子类准备就绪后，创建表示要完成的所有工作的对象，并将其传递给ForkJoinPool实例的invoke()方法。

模糊清晰度

为了帮助你了解fork/join框架的工作原理，请考虑以下示例，假设你想模糊图像，原始源图像由整数数组表示，其中每个整数包含单个像素的颜色值，模糊的目标图像也由与源相同大小的整数数组表示。

通过一次一个像素地处理源数组来完成模糊，将每个像素与其周围像素进行平均(对红色、绿色和蓝色组件进行平均)，并将结果放置在目标数组中，由于图像是大型数组，因此此过程可能需要很长时间，通过使用fork/join框架实现的算法，你可以利用多处理器系统上的并发处理，这是一个可能的实现：

public class ForkBlur extends RecursiveAction {
    private int[] mSource;
    private int mStart;
    private int mLength;
    private int[] mDestination;
  
    // Processing window size; should be odd.
    private int mBlurWidth = 15;
  
    public ForkBlur(int[] src, int start, int length, int[] dst) {
        mSource = src;
        mStart = start;
        mLength = length;
        mDestination = dst;
    }

    protected void computeDirectly() {
        int sidePixels = (mBlurWidth - 1) / 2;
        for (int index = mStart; index < mStart + mLength; index++) {
            // Calculate average.
            float rt = 0, gt = 0, bt = 0;
            for (int mi = -sidePixels; mi <= sidePixels; mi++) {
                int mindex = Math.min(Math.max(mi + index, 0),
                                    mSource.length - 1);
                int pixel = mSource[mindex];
                rt += (float)((pixel & 0x00ff0000) >> 16)
                      / mBlurWidth;
                gt += (float)((pixel & 0x0000ff00) >>  8)
                      / mBlurWidth;
                bt += (float)((pixel & 0x000000ff) >>  0)
                      / mBlurWidth;
            }
          
            // Reassemble destination pixel.
            int dpixel = (0xff000000     ) |
                   (((int)rt) << 16) |
                   (((int)gt) <<  8) |
                   (((int)bt) <<  0);
            mDestination[index] = dpixel;
        }
    }
  
  ...

现在，你实现抽象的compute()方法，该方法可以直接执行模糊或将其拆分为两个较小的任务，简单的数组长度阈值有助于确定是执行还是拆分工作。

protected static int sThreshold = 100000;

protected void compute() {
    if (mLength < sThreshold) {
        computeDirectly();
        return;
    }
    
    int split = mLength / 2;
    
    invokeAll(new ForkBlur(mSource, mStart, split, mDestination),
              new ForkBlur(mSource, mStart + split, mLength - split,
                           mDestination));
}

如果以前的方法在RecursiveAction类的子类中，那么将任务设置为在ForkJoinPool中运行是很简单的，涉及以下步骤：

1. 创建一个代表要完成的所有工作的任务。

   // source image pixels are in src
   // destination image pixels are in dst
   ForkBlur fb = new ForkBlur(src, 0, src.length, dst);

2. 创建将运行任务的ForkJoinPool。

   ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();

3. 运行任务。

   pool.invoke(fb);

有关完整源代码（包括创建目标图像文件的一些额外代码），请参阅ForkBlur示例。

标准实现

除了使用fork/join框架来实现在多处理器系统上同时执行任务的自定义算法（例如ForkBlur.java示例），Java SE中已经使用fork/join框架实现了一些通常有用的功能，在Java SE 8中引入的一种这样的实现被java.util.Arrays类用于其parallelSort()方法，这些方法类似于sort()，但通过fork/join框架利用并发性。在多处理器系统上运行时，大型数组的并行排序比顺序排序更快，但是，这些方法如何利用fork/join框架超出了Java教程的范围，有关此信息，请参阅Java API文档。

fork/join框架的另一个实现由java.util.streams包中的方法使用，这是Project Lambda计划用于Java SE 8版本的一部分，有关更多信息，请参阅Lambda表达式部分。

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