最近更新：2020年10月18日

Java 并发编程·ExecutorService

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ExecutorService

ExecutorService 是 java.util.concurrent 包的重要组成部分，是 Java JDK 提供的框架，用于简化异步模式下任务的执行。

一般来说，ExecutorService 会自动提供一个线程池和相关 API，用于为其分配任务。

ExecutorService 只是接口，Java 标准库提供的几个常用实现类有：

FixedThreadPool：线程数固定的线程池；
CachedThreadPool：线程数根据任务动态调整的线程池；
SingleThreadExecutor：仅单线程执行的线程池；
ScheduledThreadPool：以用来处理延时任务或者定时任务。

他们内部实现依旧是调用 ThreadPoolExecutor，构造方法如下：

public ThreadPoolExecutor(
    int corePoolSize,
    int maximumPoolSize,
    long keepAliveTime,
    TimeUnit unit,
    BlockingQueue<Runnable> workQueue,
    ThreadFactory threadFactory,
    RejectedExecutionHandler handler)

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

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

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

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

public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
    super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
            new DelayedWorkQueue());
}

实例化 ExecutorService

实例化 ExecutorService 的方式有两种：一种是工厂方法，另一种是直接创建。

创建 ExecutorService 实例的最简单方法是使用 Executors 类的提供的工厂方法。比如：

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);

当然还有其它很多工厂方法，每种工厂方法都可以创建满足特定用例的预定义实例。你所需要做的就是从 Oracle 的 JDK 官方文档找到自己想要的合适的方法。

另外也可以直接创建 ExecutorService 的实例，java.util.concurrent 包已经预定义了几种实现可供我们选择，或者你也可以创建自己的实现。

ExecutorService 分配任务

ExecutorService 可以执行 Runnable 和 Callable 任务。

public class T {

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException{
        Runnable runnable = () -> {
            System.out.println("runnable start");
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        };

        Callable<String> callable = () -> {
            System.out.println("callable start");
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);
            return "Hello world";
        };

        // 外层括号建立了一个 ArrayList 的匿名子类，内层括号定义了一个该匿名子类的构造块（构造对象时会自动执行的代码块）
        List<Callable<String>> callableList = new ArrayList<Callable<String>>() {
            {
                add(callable);
                add(callable);
                add(callable);
            }
        };

        // execute
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        executorService.execute(runnable);

        // submit
        Future<String> future = executorService.submit(callable);
        System.out.println("result: " + future.get());

        // invokeAny
        String result = executorService.invokeAny(callableList);
        System.out.println("result: " + result);

        // invokeAll
        List<Future<String>> futureList = executorService.invokeAll(callableList);

        // 关闭 ExecutorService
        executorService.shutdown();
        try {
            if (!executorService.awaitTermination(800, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                executorService.shutdownNow();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            executorService.shutdownNow();
        }
    }

}

isShutdown() 可以判断是否线程池是否已经执行停止方法，isTerminated() 可以判断线程池是否真正停止运行。

ExecutorService 有多种方法进行任务分配，比如 execute()、submit()、invokeAny() 和 invokeAll() 等方法，这些方法都继承自 Executor 接口。

execute()

该方法返回值为空，因此使用该方法无法获得任务执行结果或检查任务的状态（是正在运行（running）还是执行完毕（executed））。

executorService.execute(runnable);

submit()

submit() 方法会将一个 Callable 或 Runnable 任务提交给 ExecutorService 并返回 Future 类型的结果。

Future<String> future = executorService.submit(callable);

invokeAny()

invokeAny() 方法将一组任务分配给 ExecutorService，使每个任务执行，并返回任意一个成功执行的任务的结果。

String result = executorService.invokeAny(callableList);

invokeAll()

invokeAll() 方法将一组任务分配给 ExecutorService ，使每个任务执行，并以 Future 类型的对象列表的形式返回所有任务执行的结果。

List<Future<String>> futureList = executorService.invokeAll(callableList);

关闭 ExecutorService

一般情况下，ExecutorService 并不会自动关闭，即使所有任务都执行完毕，或者没有要处理的任务，也不会自动销毁 ExecutorService。它会一直出于等待状态，等待给它分配新的工作。

这种机制，在某些情况下是非常有用的，比如，应用程序需要处理不定期出现的任务，或者在编译时不知道这些任务的数量。

但另一方面，这也带来了副作用：即使应用程序可能已经到达它的终点，但并不会被停止，因为等待的 ExecutorService 将导致 JVM 继续运行。这样，我们就需要主动关闭 ExecutorService。

要正确的关闭 ExecutorService，可以调用实例的 shutdown() 或 shutdownNow() 方法。

shutdown()

shutdown() 方法并不会立即销毁 ExecutorService 实例，而是首先让 ExecutorService 停止接受新任务，并在所有正在运行的线程完成当前工作后关闭：

executorService.shutdown();

shutdownNow()

shutdownNow() 方法会尝试立即销毁 ExecutorService 实例，所以并不能保证所有正在运行的线程将同时停止。该方法会返回等待处理的任务列表，由开发人员自行决定如何处理这些任务。

List<Runnable> notExecutedTasks = executorService.shutDownNow();

最佳实践

关闭 ExecutorService 实例的最佳实战是同时使用这两种方法并结合 awaitTermination() 方法。使用这种方式 ExecutorService 首先停止执行新任务，等待指定的时间段完成所有任务，如果该时间到期，则立即停止执行。

executorService.shutdown();
try {
    if (!executorService.awaitTermination(800, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
        executorService.shutdownNow();
    }
} catch (InterruptedException e) {
    executorService.shutdownNow();
}

Future 接口

上面栗子中提到，submit() 方法和 invokeAll() 方法返回一个 Future 接口的对象或 Future 类型的对象集合。这些 Future 接口的对象允许我们获取任务执行的结果或检查任务的状态（正在运行还是执行完毕）。

Future 接口提供了一个特殊的阻塞方法 get()，它返回 Callable 任务执行的实际结果，但如果是 Runnable 任务，则只会返回 null。

因为 get() 方法是阻塞的。如果调用 get() 方法时任务仍在运行，那么调用将会一直被执阻塞，直到任务正确执行完毕并且结果可用时才返回。

而且更重要的是，正在被执行的任务随时都可能抛出异常或中断执行。因此要将 get() 调用放在 try catch 语句块中，并捕捉 InterruptedException 或 ExecutionException 异常。

Future<String> future = executorService.submit(callable);
String result = null;
try {
    result = future.get();
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

因为 get() 方法是阻塞的，而且并不知道要阻塞多长时间。因此可能导致应用程序的性能降低。如果结果数据并不重要，那么我们可以使用超时机制来避免长时间阻塞。

String result = future.get(200, TimeUnit.MILLISECONDS);

这个 get() 的重载，第一个参数为超时的时间，第二个参数为时间的单位。上面的实例所表示就的就是等待 200 毫秒。注意，这个 get() 重载方法，如果在超时时间内正常结束，那么返回的是 Future 类型的结果，如果超时了还没结束，那么将抛出 TimeoutException 异常。

除了 get() 方法之外，Future 还提供了其它很多方法，下面是几个重要的方法：

方法	说明
isDone()	检查已分配的任务是否已处理
cancel()	取消任务执行
isCancelled()	检查任务是否已取消

此外，也可以包装 Callable 成 FutureTask 直接交给线程执行：

FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(() -> "Hello");
new Thread(futureTask).start();
System.out.println(futureTask.get());

boolean isDone = future.isDone();
boolean canceled = future.cancel(true);
boolean isCancelled = future.isCancelled();

ScheduledExecutorService

ScheduledExecutorService 接口用于在一些预定义的延迟之后运行任务或定期运行任务。同样的，实例化 ScheduledExecutorService 的最佳方式是使用 Executors 类的工厂方法。比如，要在固定延迟后安排单个任务的执行，可以使用 ScheduledExecutorService 实例的 scheduled() 方法：

ScheduledExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
// 在执行 callable 之前延迟了一秒钟
Future<String> resultFuture = executorService.schedule(callable, 1, TimeUnit.SECONDS);
String result = null;
try {
    result = resultFuture.get();
    System.out.println("result: " + result);
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

另外，ScheduledExecutorService 实例还提供了另一个重要方法 scheduleAtFixedRate()，它允许在固定延迟后定期执行任务。

executorService.scheduleAtFixedRate(commod, initialDelay, period, unit);

initialDelay 是说系统启动后，需要等待多久才开始执行。period 为固定周期时间，按照一定频率来重复执行任务。

如果 period 设置的是 3s，任务执行要 5s，那么等上一次任务执行完就立即执行，也就是任务与任务之间的差异是 5s；
如果 period 设置的是 3s，任务执行要 2s，那么需要等到 3s 后再次执行下一次任务。

// 100 毫秒的初始延迟后执行任务，之后，它将每 450 毫秒执行相同的任务
executorService.scheduleAtFixedRate(runnable, 100, 450, TimeUnit.MILLISECONDS);

如果任务迭代之间必须具有固定长度的延迟，那么可以使用 scheduleWithFixedDelay() 方法。例如，以下代码将保证当前执行结束与另一个执行结束之间的间隔时间为 150 毫秒。

executorService.scheduleWithFixedDelay(task, 100, 150, TimeUnit.MILLISECONDS);

总结

尽管 ExecutorService 相对简单，但仍有一些常见的陷阱。

未能正确关闭 ExecutorService
使用固定长度的线程池时设置了错误的线程池容量。使用 ExecutorService 最重要的一件事，就是确定应用程序有效执行任务所需的线程数
- 太大的线程池只会产生不必要的开销，只会创建大多数处于等待模式的线程。
- 太少的线程池会让应用程序看起来没有响应，因为队列中的任务等待时间很长。
在取消任务后调用 Future 的 get() 方法。尝试获取已取消任务的结果将触发 CancellationException 异常。
使用 Future 的 get() 方法意外地阻塞了很长时间。应该使用超时来避免意外的等待。