Java多线程之Executor框架

在前面的这篇文章中介绍了线程池的相关知识，现在我们来看一下跟线程池相关的框架--Executor。

一.什么是Executor

1.Executor框架的两级调度模型

在HotSpot VM的线程模型中，Java线程（java.lang.Thread）被一对一映射为本地操作系统线程。Java线程启动时会创建一个本地操作系统线程；当该Java线程终止时，这个操作系统线程也会被回收。操作系统会调度所有线程并将它们分配给可用的CPU。
在上层，Java多线程程序通常把应用分解为若干个任务，然后使用用户级的调度器（Executor框架）将这些任务映射为固定数量的线程；在底层，操作系统内核将这些线程映射到硬件处理器上。这种两级调度模型的示意图如图10-1所示。从图中可以看出，应用程序通过Executor框架控制上层的调度；而下层的调度由操作系统内核控制，下层的调度不受应用程序的控制。

2.Executor框架的结构与成员

1）Executor框架的结构
主要由3大部分组成：1.任务，包括被执行任务需要实现的接口：Runnable接口或Callable接口；2.任务的执行，包括任务执行机制的核心接口Executor，以及继承自Executor的ExecutorService接口。Executor框架有两个关键类实现ExecutorService接口（ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor）；3.异步计算的结果，包括接口Future和实现Future接口的FutureTask类。
Executor是一个接口，它是Executor框架的基础，它将任务的提交与任务的执行分离开来。
ThreadPoolExecutor是线程池的核心实现类，用来执行被提交的任务。(可参照这篇)
ScheduledThreadPoolExecutor是一个实现类，可以在给定的延迟后运行命令，或者定期执行命令。它比Timer更灵活，功能更强大。
Future接口和实现Future接口的FutureTask类，代表异步计算的结果。
Runnable接口和Callable接口的实现类，都可以被ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor执行。

2）.使用说明：主线程首先要创建实现Runnable或者Callable接口的任务对象。工具类Executors可以把一个Runnable对象封装为一个Callable对象（Executors.callable（Runnable task）或Executors.callable（Runnable task，Object resule））。
然后可以把Runnable对象直接交给ExecutorService执行（ExecutorService.execute（Runnable command））；或者也可以把Runnable对象或Callable对象提交给ExecutorService执行（ExecutorService.submit（Runnable task）或ExecutorService.submit（Callable<T>task））。
如果执行ExecutorService.submit（…），ExecutorService将返回一个实现Future接口的对象（到目前为止的JDK中，返回的是FutureTask对象）。由于FutureTask实现了Runnable，程序员也可以创建FutureTask，然后直接交给ExecutorService执行。
最后，主线程可以执行FutureTask.get()方法来等待任务执行完成。主线程也可以执行FutureTask.cancel（boolean mayInterruptIfRunning）来取消此任务的执行。

2.Executor框架的成员介绍：

1）.ThreadPoolExecutor，Executors可以创建三种类型的ThreadPoolExecutor：SingleThreadExecutor、FixedThreadPool和CachedThreadPool。下面分别介绍各自的特性和Executor框架各自创建的API。

SingleThreadExecutor：适用于需要保证顺序地执行各个任务，并且在任意时间点，不会有多个线程的应用场景，即保证只有一个线程。

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor()
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory)

 FixedThreadPool：适用于为了满足资源管理的需求，而需要限制当前线程数量的应用场景，它适用于负载比较重的服务器。

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    }

CachedThreadPool：是大小无界的线程池，适用于执行很多的短期异步任务的小程序，或者是负载较轻的服务器。

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());
    }

public static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory) {
        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>(),
                                      threadFactory);
    }

2）ScheduledThreadPoolExecutor
Executors可以创建两种类型的ScheduledThreadPoolExecutor，创建的相关API和它们的介绍主要如下：

ScheduledThreadPoolExecutor。包含若干个线程的ScheduledThreadPoolExecutor。适用于需要多个后台线程执行周期任务，同时为了满足资源管理的需求而需要限制后台线程的数量的应用场景。

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
    }

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(
            int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory) {
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize, threadFactory);
    }

SingleThreadScheduledExecutor。只包含一个线程的ScheduledThreadPoolExecutor；适用于单个后台线程执行周期任务，同时需要保证顺序地执行各个任务的应用场景。

public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor() {
        return new DelegatedScheduledExecutorService
            (new ScheduledThreadPoolExecutor(1));
    }

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

3）Future接口

Future接口和实现Future接口的FutureTask类用来表示异步计算的结果。当我们把Runnable接口或Callable接口的实现类提交（submit）给ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor时，ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor会向我们返回一个FutureTask对象。下面是对应的API。

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

这里要注意：到目前最新的JDK8为止，Java通过上述API返回的是一个FutureTask对象。但从API可以看到，Java仅仅保证返回的是一个实现了Future接口的对象。在将来的JDK实现中，返回的可能不一定是FutureTask。
 4）Runnable接口和Callable接口

Runnable接口和Callable接口的实现类，都可以被ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor执行。它们之间的区别是Runnable不会返回结果，而Callable可以返回结果。Executors类还提供了一个可以把Runnable包装成一个Callable的API。

//将Runnable 包装为Callable
public static Callable<Object> callable(Runnable task) {
        if (task == null)
            throw new NullPointerException();
        return new RunnableAdapter<Object>(task, null);
    }

//将Runnable和待返回结果 包装为Callable
public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
        if (task == null)
            throw new NullPointerException();
        return new RunnableAdapter<T>(task, result);
    }

前面讲过，当我们把一个Callable对象（比如上面的Callable1或Callable2）提交给ThreadPoolExecutor或ScheduledThreadPoolExecutor执行时，submit（…）会向我们返回一个FutureTask对象。我们可以执行FutureTask.get()方法来等待任务执行完成。当任务成功完成后FutureTask.get()将返回该任务的结果。例如，如果提交的是对象Callable1，FutureTask.get()方法将返回null；如果提交的是对象Callable2，FutureTask.get()方法将返回result对象。

二.Executor主要类详细介绍

下面主要来介绍一下ThreadPoolExecutor，ScheduledThreadPoolExecutor和FutureTask。

1.ThreadPoolExecutor：参照这个

2.ScheduledThreadPoolExecutor：

继承自ThreadPoolExecutor，主要用来在给定的延迟之后运行任务，或者定期执行任务。ScheduledThreadPoolExecutor的功能与Timer类似，但ScheduledThreadPoolExecutor功能更强大、更灵活。Timer对应的是单个后台线程，而ScheduledThreadPoolExecutor可以在构造函数中指定多个对应的后台线程数。

（1）ScheduledThreadPoolExecutor运行机制：

1）当调用ScheduledThreadPoolExecutor的scheduleAtFixedRate()方法或者scheduleWithFixedDelay()方法时，会向ScheduledThreadPoolExecutor的DelayQueue添加一个实现了RunnableScheduledFutur接口的ScheduledFutureTask。
2）线程池中的线程从DelayQueue中获取ScheduledFutureTask，然后执行任务。

2）ScheduledThreadPoolExecutor的实现 

前面我们提到过，ScheduledThreadPoolExecutor会把待调度的任务（ScheduledFutureTask）放到一个DelayQueue中。
ScheduledFutureTask主要包含3个成员变量，如下。
·long型成员变量time，表示这个任务将要被执行的具体时间。
·long型成员变量sequenceNumber，表示这个任务被添加到ScheduledThreadPoolExecutor中的序号。
·long型成员变量period，表示任务执行的间隔周期。
DelayQueue封装了一个PriorityQueue，这个PriorityQueue会对队列中的ScheduledFutureTask进行排序。排序时，time小的排在前面（时间早的任务将被先执行）。如果两个ScheduledFutureTask的time相同，就比较sequenceNumber，sequenceNumber小的排在前面（也就是说，如果两个任务的执行时间相同，那么先提交的任务将被先执行）。

首先，线程1从DelayQueue中获取已到期的ScheduledFutureTask（DelayQueue.take()）。到期任务是指ScheduledFutureTask的time大于等于当前时间；然后，线程1执行这个ScheduledFutureTask；接着，线程1修改ScheduledFutureTask的time变量为下次将要被执行的时间；最后，线程1把这个修改time之后的ScheduledFutureTask放回DelayQueue中（DelayQueue.add()）。

3.FutureTask

首先，要知道：Future接口和实现Future接口的FutureTask类，代表异步计算的结果。
1.FutureTask简介

FutureTask除了实现Future接口外，还实现了Runnable接口。因此，FutureTask可以交给Executor执行，也可以由调用线程直接执行（FutureTask.run()）。根据FutureTask.run()方法被执行的时机，FutureTask可以处于下面3种状态。
1）未启动。FutureTask.run()方法还没有被执行之前，FutureTask处于未启动状态。当创建一个FutureTask，且没有执行FutureTask.run()方法之前，这个FutureTask处于未启动状态。
2）已启动。FutureTask.run()方法被执行的过程中，FutureTask处于已启动状态。
3）已完成。FutureTask.run()方法执行完后正常结束，或被取消（FutureTask.cancel（…）），或执行FutureTask.run()方法时抛出异常而异常结束，FutureTask处于已完成状态。
当FutureTask处于未启动或已启动状态时，执行FutureTask.get()方法将导致调用线程阻塞；当FutureTask处于已完成状态时，执行FutureTask.get()方法将导致调用线程立即返回结果或抛出异常。
当FutureTask处于未启动状态时，执行FutureTask.cancel()方法将导致此任务永远不会被执行；当FutureTask处于已启动状态时，执行FutureTask.cancel（true）方法将以中断执行此任务线程的方式来试图停止任务；当FutureTask处于已启动状态时，执行FutureTask.cancel（false）方法将不会对正在执行此任务的线程产生影响（让正在执行的任务运行完成）；当FutureTask处于已完成状态时，执行FutureTask.cancel（…）方法将返回false。

《Java并发编程的艺术》