18、JUC线程池（Executor、Callable、FutureTask、ThreadPoolExecutor）

一、Executor框架

1.1 介绍

Executor框架包括3大部分：

• 任务。也就是工作单元，包括被执行任务需要实现的接口：Runnable接口或者Callable接口；
• 任务的执行。也就是把任务分派给多个线程的执行机制，包括Executor接口及继承自Executor接口的ExecutorService接口。
• 异步计算的结果。包括Future接口及实现了Future接口的FutureTask类。

Executor框架的成员及其关系可以用一下的关系图表示：

1.2 使用流程

Executor框架的使用示意图：

使用步骤：

• 创建Runnable并重写run()方法或者Callable对象并重写call()方法，得到一个任务对象

class callableImp implements Callable<String >{
     
       
	@Override
	public String call() {
     
       
		try{
     
       
			String a = "return String";
			return a;
		}
		catch(Exception e){
     
       
			e.printStackTrace();
			return "exception";
		}
	}
}

• 创建ExecutorService接口的实现类ThreadPoolExecutor类或者ScheduledThreadPoolExecutor类的对象，然后调用其execute()方法或者submit()方法，提交任务对象执行。
• 主线程调用Future对象的get()方法获取返回值，或者调用Future对象的cancel()方法取消当前线程的执行。

1.3 成员介绍

Executor框架成员：ThreadPoolExecutor实现类、ScheduledThreadPoolExecutor实现类、Future接口、Runnable和Callable接口、Executors工厂类

Executor：执行器接口，也是最顶层的抽象核心接口， 分离了任务和任务的执行。ExecutorService在Executor的基础上提供了执行器生命周期管理，任务异步执行等功能。

Executors：生产具体的执行器的静态工厂，工具类。

ThreadPoolExecutor：线程池Executor，也是最常用的Executor，通常使用Executors来创建，可以创建三种类型的ThreadPoolExecutor：SingleThreadPoolExecutor，FixedThreadPool和 CachedThreadPool，以线程池的方式管理线程。

ScheduledThreadPoolExecutor：在ThreadPoolExecutor基础上，增加了对周期任务调度的支持。

Runnable和Callable接口：Runnable和Callable接口的实现类，可以被ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor执行，区别是，前没有返回结果，后者可以返回结果。

二、Callable和FutureTask

2.1 介绍

Callable与Runnable的区别

1、 Callable带返回值；
2、 会抛出异常；
3、 覆写call()⽅法，⽽不是run()⽅法；

FutureTask的构造需要一个Callable，Callable里有一个call()方法和Runnable的run()方法作用一样，只不过更强，可以返回结果

2.2 Callable接⼝的使⽤

//实现Callable接口
class MyThread implements Callable<Integer> {
   
     
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
   
     
        System.out.println("callable come in ...");
        try {
   
      
	        TimeUnit.SECONDS.sleep(3); 
        } catch (InterruptedException e) {
   
     
	        e.printStackTrace(); 
        }
        return 1024;
    }
}

public class CallableDemo {
   
     
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException,InterruptedException {
   
     
        //创建FutureTask类，接受MyThread。
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(new MyThread());
        //将FutureTask对象放到Thread类的构造器里面。
        new Thread(futureTask, "AA").start();
        int result01 = 100;
        //用FutureTask的get方法得到返回值。
        int result02 = futureTask.get();

        System.out.println("result=" + (result01 + result02));
    }
}

如果异步任务还没有完成，futureTask.get()会让当前线程阻塞，直到获得结果。

三、ThreadPoolExecutor

3.1 线程池基本概念

概念

线程池主要是控制运⾏线程的数量，将待处理任务放到等待队列，然后创建线程执⾏这些任务。如果线程数量超过了最⼤数量，超出数量的任务排队等候，等其他线程执⾏完毕，再从队列中取出任务来执⾏。

线程池的主要特点

线程复⽤；控制最⼤并发数；管理线程。

• 线程复⽤：不⽤⼀直new新线程，重复利⽤已经创建的线程来降低线程的创建和销毁开销，节省系统资源。
• 提⾼响应速度：当任务达到时，不⽤创建新的线程，直接利⽤线程池的线程。
• 管理线程：可以控制最⼤并发数，控制线程的创建等。

例如tomcat，web服务器最大并发量就是里面的线程池的线程数量
和火车站卖票窗口类似。

3.2 API介绍

线程池解决两个问题：

• 如果有大量任务需要异步处理，这些任务交给线程处理势必就会创建大量的线程、再去销毁，如果有线程池就可以避免大量线程的创建和销毁切换，节省资源
• 线程池能解决线程的管理问题。只需要关注业务模块不需要考虑线程的管理问题。
• 维护一些基本的统计信息。多少任务成功、多少任务异常

3.3 ThreadPoolExecutor构造的七个参数

ThreadPoolExecutor一共提供了4种构造器，但其它三种内部其实都调用了下面的构造器。

/**
* 使用给定的参数创建ThreadPoolExecutor.
*
* @param corePoolSize 核心线程池中的核心线程数
* @param maximumPoolSize 总线程池中的最大线程数
* @param keepAliveTime 空闲线程的存活时间
* @param unit keepAliveTime的单位
* @param workQueue 任务队列, 保存已经提交但尚未被执行的线程
* @param threadFactory 线程创建工厂
* @param handler 拒绝策略 (当任务太多导致工作队列满时的处理策略)
*/
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
							int maximumPoolSize,
							long keepAliveTime,
							TimeUnit unit,
							BlockingQueue<Runnable> workQueue,
							ThreadFactory threadFactory,
							RejectedExecutionHandler handler) {
   
     
	if (corePoolSize < 0 ||
		maximumPoolSize <= 0 ||
		maximumPoolSize < corePoolSize ||
		keepAliveTime < 0)
		throw new IllegalArgumentException();
	if (workQueue == null || threadFactory == null || handler == null)
		throw new NullPointerException();
	this.corePoolSize = corePoolSize;
	this.maximumPoolSize = maximumPoolSize;
	this.workQueue = workQueue;
	this.keepAliveTime = unit.toNanos(keepAliveTime);
	this.threadFactory = threadFactory;
	this.handler = handler;
}

参数	意义
corePoolSize	线程池中的常驻核⼼线程数
maximumPoolSize	线程池中能够容纳同时指向的最⼤线程数，此值必须⼤于等于1
keepAliveTime	多余的空闲线程的存活时间，当前池中线程数量超过corePoolSize时，当空闲时间达到keepAliveTime时，多余线程会被销毁直到只剩下corePoolSize个线程为⽌
unit	keepAliveTime存活时间的单位
workQueue	任务队列，存放已提交但尚未执⾏的任务
threadFactory	表示⽣成线程池中⼯作线程的线程⼯⼚，⽤于创建线程，⼀般默认的即可
handler	拒绝策略，表示当队列满了，并且⼯作线程⼤于等于线程池的最⼤线程数（maximumPoolSize）时，如何来拒绝请求执⾏的runnable的策略

3.4 线程池的状态流转

线程池状态定义；

/*
* RUNNING -> SHUTDOWN
*     On invocation of shutdown(), perhaps implicitly in finalize()
* (RUNNING or SHUTDOWN) -> STOP
*     On invocation of shutdownNow()
* SHUTDOWN -> TIDYING
*     When both queue and pool are empty
* STOP -> TIDYING
*     When pool is empty
* TIDYING -> TERMINATED
*     When the terminated() hook method has completed
*
*/
private static final int RUNNING = -1 << COUNT_BITS;
private static final int SHUTDOWN = 0 << COUNT_BITS;
private static final int STOP = 1 << COUNT_BITS;
private static final int TIDYING = 2 << COUNT_BITS;
private static final int TERMINATED = 3 << COUNT_BITS;

ThreadPoolExecutor一共定义了5种线程池状态：

• RUNNING : 接受新任务, 且处理已经进入阻塞队列的任务
• SHUTDOWN : 不接受新任务, 但处理已经进入阻塞队列的任务
• STOP : 不接受新任务, 且不处理已经进入阻塞队列的任务, 同时中断正在运行的任务
• TIDYING : 所有任务都已终止, 工作线程数为0, 线程转化为TIDYING状态并准备调用terminated方法
• TERMINATED : terminated方法已经执行完成

各个状态之间的流转图：

3.5 线程池底层原理

理解线程池七个参数

线程池的创建参数，就像⼀个银⾏。

corePoolSize 就像银⾏的“当值窗⼝“，⽐如今天有2位柜员在受理客户请求（任务）。

如果超过2个客户，那么新的客户就会在等候区（等待队列 workQueue ）等待。

当等候区也满了，这个时候就要开启“加班窗⼝”，让其它3位柜员来加班，此时达到最⼤窗⼝maximumPoolSize ，为5个。

如果开启了所有窗⼝，等候区依然满员，此时就应该启动”拒绝策略“ handler ，告诉不断涌⼊的客户，叫他们不要进⼊，已经爆满了。

由于不再涌⼊新客户，办完事的客户增多，窗⼝开始空闲，这个时候就通过 keepAlivetTime 将多余的3个”加班窗⼝“取消，恢复到2个”当值窗⼝“。

案例图：

这个图有点小问题，应该是3，4，5在候客区，6，7，8在窗口。

线程池流程图解

原理图：上⾯银⾏的例⼦，实际上就是线程池的⼯作原理。

流程：

1、 在创建了线程池后，开始等待请求；
2、 当调⽤execute()⽅法添加⼀个请求任务时，线程池会做出如下判断：；
2、 1如果正在运⾏的线程数量⼩于corePoolSize，那么⻢上创建核⼼线程运⾏执⾏这个任务；
2、 2如果正在运⾏的线程数量⼤于或等于corePoolSize，那么将这个任务放⼊队列；
2、 3如果这个时候等待队列已满，且正在运⾏的线程数量⼩于maximumPoolSize，那么还是要创建⾮核⼼线程⽴刻运⾏这个任务；
2、 4如果这个时候等待队列已满，且正在运⾏的线程数量⼤于或等于maximumPoolSize，那么线程池会启动饱和拒绝策略来执⾏；
3、 当⼀个线程完成任务时，它会从等待队列中取出下⼀个任务来执⾏；
4、 当⼀个线程⽆事可做超过⼀定的时间（keepAliveTime）后，线程会判断：；

如果当前运⾏的线程数⼤于 corePoolSize ，那么这个⾮核⼼线程就被停掉。当线程池的所有任务完成后，它最终会收缩到 corePoolSize 的⼤⼩。

执行流程源码分析

执行execute

public void execute(Runnable command) {
   
     
	if (command == null)
		throw new NullPointerException();
	int c = ctl.get();//c是线程池状态
	if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
   
      // CASE1: 工作线程数 < 核心线程池上限
		if (addWorker(command, true)) // 添加工作线程并执行,true代表线程会被放到核心线程池中
			return;
		c = ctl.get();
	}
	
	// 执行到此处, 说明工作线程创建失败 或 工作线程数≥核心线程池上限
	if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
   
      // CASE2: 插入任务至队列
		// 成功插入再次检查线程池状态
		int recheck = ctl.get();
		if (!isRunning(recheck) && remove(command))//判断线程池状态，没有运行则移除该任务并执行拒绝策略
			reject(command);
		else if (workerCountOf(recheck) == 0)//检查工作线程是否为0，防止没有线程执行任务
			addWorker(null, false);//添加工作线程
	} else if (!addWorker(command, false)) // CASE3: 插入队列失败,则开启一个工作线程去执行该任务
		reject(command); // 执行拒绝策略
}

execute的整个执行流程关键是下面两点：

• 如果工作线程数小于核心线程池上限（CorePoolSize），则直接新建一个工作线程并执行任务；
• 如果工作线程数大于等于CorePoolSize，则尝试将任务加入到队列等待以后执行。如果加入队列失败了（比如队列已满的情况），则在总线程池未满的情况下（ CorePoolSize ≤ 工作线程数 ＜maximumPoolSize ）新建一个工作线程立即执行任务，否则执行拒绝策略。

3.6 线程池常用三种创建方式

类似Arrays 、 Collections ⼯具类， Executor 也有⾃⼰的⼯具类 Executors 。通过Executor框架的工具类Executors，可以快速创建三种类型的ThreadPoolExecutor：

注意： Executors中快速创建线程池的方式不只下面三种

FixedThreadPool

可重用固定线程数的线程池：

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

newFixedThreadPool：创建一个固定长度的线程池，每次提交一个任务的时候就会创建一个新的线程，直到达到线程池的最大数量限制。

• 定长，可以控制线程最大并发数， corePoolSize 和 maximumPoolSize 的数值都是nThreads。
• 超出线程数的任务会在队列中等待。
• 工作队列为LinkedBlockingQueue。

创建方法

ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(int nThreads);

SingleThreadExecutor

使用单个线程的Executor

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory) {
   
     
	return new FinalizableDelegatedExecutorService(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
									0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
									new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),threadFactory));
}

newSingleThreadExecutor：只创建一个工作线程执行任务，若这个唯一的线程异常故障了，会新建另一个线程来替代，newSingleThreadExecutor可以保证任务依照在工作队列的排队顺序来串行执行。

• 有且仅有一个工作线程执行任务；
• 所有任务按照工作队列的排队顺序执行，先进先出的顺序。
• 工作队列LinkedBlockingQueue。

创建方法

ExecutorService singleThreadPool = Executors.newSingleThreadPool();

CachedThreadPool

会根据需要创建新线程的线程池

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

newCachedThreadPool将创建一个可缓存的线程池，如果当前线程数超过处理任务时，回收空闲线程；当需求增加时，可以添加新线程去处理任务。

特点：

• 线程数无限制，corePoolSize数值为0， maximumPoolSize 的数值都是为Integer.MAX_VALUE。
• 若线程未回收，任务到达时，会复用空闲线程；若无空闲线程，则新建线程执行任务。
• 因为复用性，一定程序减少频繁创建/销毁线程，减少系统开销。
• 工作队列选用SynchronousQueue。

创建方法

ExecutorService cachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

案例演示

/**
 * 线程池代码演示
 */
public class ThreadPoolDemo {
   
     
    public static void main(String[] args) {
   
     
        //System.out.println("=======Fixed Thread Pool========");
        //一个池子有5个工作线程，类似银行有5个受理窗口
        //threadPoolTask( Executors.newFixedThreadPool(5) );

        //System.out.println("======Single Thread Pool=========");
        // //一个池子有1个工作线程，类似银行有1个受理窗口
        //threadPoolTask( Executors.newSingleThreadExecutor() );

        //System.out.println("=====Cached Thread Pool=======");
        // //不定量线程，一个池子有N个工作线程，类似银行有N个受理窗口
        //threadPoolTask( Executors.newCachedThreadPool() );

		//自定义参数线程池
        System.out.println("=====Custom Thread Pool=======");
        threadPoolTask( new ThreadPoolExecutor(
                2,
                5,
                1L,
                TimeUnit.SECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<>(3),
                Executors.defaultThreadFactory(),
                new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy()
        ));
    }

    private static void threadPoolTask(ExecutorService threadPool) {
   
     
        //模拟有10个顾客来办理业务
        try {
   
     
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
   
     
                threadPool.execute(() -> {
   
     
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t办理业务");
                    try {
   
      
	                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1); 
                    } catch (InterruptedException e) {
   
     
	                    e.printStackTrace(); 
                    }
                });

            }

        } catch (Exception e) {
   
     
            e.printStackTrace();
        } finally {
   
     
            threadPool.shutdown();
        }
    }
}

newFixedThreadPool：看到最多并且一直只有5个线程在处理

newSingleThreadExecutor：看到只有一个线程一直在处理

newCachedThreadPool：随着任务压力动态调整线程数量