Java并发编程实战10：线程池

文章目录

• 前言
• 一、线程池
• • 1.线程池的实现
  • 2.ThreadPoolExecutor
  • • 成员介绍：
  • 3.Future
  • • 1.FutureTask 使用
• 二、异步编程
• • 4.CompletableFuture
  • • CompletionStage接口
    • • 1.串行关系
      • 2.描述 AND 汇聚关系
      • 3. 描述 OR 汇聚关系
      • 4. 异常处理
  • 5.CompletionService 批量

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前言

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一、线程池 1.线程池的实现

// 简化的线程池，仅用来说明工作原理
class MyThreadPool{
  // 利用阻塞队列实现生产者 - 消费者模式
  BlockingQueue workQueue;
  // 保存内部工作线程
  List threads 
    = new ArrayList<>();
  // 构造方法
  MyThreadPool(int poolSize, 
    BlockingQueue workQueue){
    this.workQueue = workQueue;
    // 创建工作线程
    for(int idx=0; idx
      WorkerThread work = new WorkerThread();
      work.start();
      threads.add(work);
    }
  }
  // 提交任务
  void execute(Runnable command){
    workQueue.put(command);
  }
  // 工作线程负责消费任务，并执行任务
  class WorkerThread extends Thread{
    public void run() {
      // 循环取任务并执行
      while(true){ ①
        Runnable task = workQueue.take();
        task.run();
      } 
    }
  }  
}
 

// 创建有界阻塞队列
BlockingQueue workQueue = 
  new LinkedBlockingQueue<>(2);
// 创建线程池  
MyThreadPool pool = new MyThreadPool(
  10, workQueue);
// 提交任务  
pool.execute(()->{
    System.out.println("hello");
});

在 MyThreadPool 的内部，我们维护了一个阻塞队列 workQueue 和一组工作线程，工作线程的个数由构造函数中的 poolSize 来指定。用户通过调用 execute() 方法来提交 Runnable 任务，execute() 方法的内部实现仅仅是将任务加入到 workQueue 中。MyThreadPool 内部维护的工作线程会消费 workQueue 中的任务并执行任务，相关的代码就是代码①处的 while 循环。线程池主要的工作原理就这些

示例：pandas 是基于NumPy 的一种工具，该工具是为了解决数据分析任务而创建的。

2.ThreadPoolExecutor

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

成员介绍：

1. corePoolSize：表示线程池保有的最小线程数。有些项目很闲，但是也不能把人都撤了，至少要留 corePoolSize 个人坚守阵地。
2. maximumPoolSize：表示线程池创建的最大线程数。当项目很忙时，就需要加人，但是也不能无限制地加，最多就加到 maximumPoolSize 个人。当项目闲下来时，就要撤人了，最多能撤到 corePoolSize 个人。
3. keepAliveTime & unit：上面提到项目根据忙闲来增减人员，那在编程世界里，如何定义忙和闲呢？很简单，一个线程如果在一段时间内，都没有执行任务，说明很闲，keepAliveTime 和 unit 就是用来定义这个“一段时间”的参数。也就是说，如果一个线程空闲了keepAliveTime & unit这么久，而且线程池的线程数大于 corePoolSize ，那么这个空闲的线程就要被回收了。
4. workQueue：工作队列，和上面示例代码的工作队列同义。
5. threadFactory：通过这个参数你可以自定义如何创建线程，例如你可以给线程指定一个有意义的名字。
6. handler：通过这个参数你可以自定义任务的拒绝策略。如果线程池中所有的线程都在忙碌，并且工作队列也满了（前提是工作队列是有界队列），那么此时提交任务，线程池就会拒绝接收。至于拒绝的策略，你可以通过 handler 这个参数来指定。ThreadPoolExecutor 已经提供了以下 4 种策略：
   CallerRunsPolicy：提交任务的线程自己去执行该任务。
   AbortPolicy：默认的拒绝策略，会 throws RejectedExecutionException。
   DiscardPolicy：直接丢弃任务，没有任何异常抛出。
   DiscardOldestPolicy：丢弃最老的任务，其实就是把最早进入工作队列的任务丢弃，然后把新任务加入到工作队列。

Java 在 1.6 版本还增加了 allowCoreThreadTimeOut(boolean value) 方法，它可以让所有线程都支持超时，这意味着如果项目很闲，就会将项目组的成员都撤走。

强烈建议使用有界队列，默认拒绝策略要慎重使用

3.Future

// 提交 Runnable 任务
Future 
  submit(Runnable task);
// 提交 Callable 任务
 Future 
  submit(Callable task);
// 提交 Runnable 任务及结果引用  
 Future 
  submit(Runnable task, T result);

获得任务执行结果
这 3 个 submit() 方法之间的区别在于方法参数不同，下面我们简要介绍一下。

1. 提交 Runnable 任务 submit(Runnable task) ：这个方法的参数是一个 Runnable 接口，Runnable 接口的 run() 方法是没有返回值的，所以 submit(Runnable task) 这个方法返回的 Future 仅可以用来断言任务已经结束了，类似于 Thread.join()。
2. 提交 Callable 任务 submit(Callable task)：这个方法的参数是一个 Callable 接口，它只有一个 call() 方法，并且这个方法是有返回值的，所以这个方法返回的 Future 对象可以通过调用其 get() 方法来获取任务的执行结果。
3. 提交 Runnable 任务及结果引用 submit(Runnable task, T result)：这个方法很有意思，假设这个方法返回的 Future 对象是 f，f.get() 的返回值就是传给 submit() 方法的参数 result。这个方法该怎么用呢？下面这段示例代码展示了它的经典用法。需要你注意的是 Runnable 接口的实现类 Task 声明了一个有参构造函数 Task(Result r) ，创建 Task 对象的时候传入了 result 对象，这样就能在类 Task 的 run() 方法中对 result 进行各种操作了。result 相当于主线程和子线程之间的桥梁，通过它主子线程可以共享数据。示例如下：

ExecutorService executor 
  = Executors.newFixedThreadPool(1);
// 创建 Result 对象 r
Result r = new Result();
r.setAAA(a);
// 提交任务
Future future = 
  executor.submit(new Task(r), r);  
Result fr = future.get();
// 下面等式成立
fr === r;
fr.getAAA() === a;
fr.getXXX() === x
 
class Task implements Runnable{
  Result r;
  // 通过构造函数传入 result
  Task(Result r){
    this.r = r;
  }
  void run() {
    // 可以操作 result
    a = r.getAAA();
    r.setXXX(x);
  }
}

1.FutureTask 使用

其实很简单，FutureTask 实现了 Runnable 和 Future 接口，由于实现了 Runnable 接口，所以可以将 FutureTask 对象作为任务提交给 ThreadPoolExecutor 去执行，也可以直接被 Thread 执行；又因为实现了 Future 接口，所以也能用来获得任务的执行结果。下面的示例代码是将 FutureTask 对象提交给 ThreadPoolExecutor 去执行。

// 创建 FutureTask
FutureTask futureTask
  = new FutureTask<>(()-> 1+2);
// 创建线程池
ExecutorService es = 
  Executors.newCachedThreadPool();
// 提交 FutureTask 
es.submit(futureTask);
// 获取计算结果
Integer result = futureTask.get();

烧水泡茶业务实现示例：

// 创建任务 T2 的 FutureTask
FutureTask ft2
  = new FutureTask<>(new T2Task());
// 创建任务 T1 的 FutureTask
FutureTask ft1
  = new FutureTask<>(new T1Task(ft2));
// 线程 T1 执行任务 ft1
Thread T1 = new Thread(ft1);
T1.start();
// 线程 T2 执行任务 ft2
Thread T2 = new Thread(ft2);
T2.start();
// 等待线程 T1 执行结果
System.out.println(ft1.get());
 
// T1Task 需要执行的任务：
// 洗水壶、烧开水、泡茶
class T1Task implements Callable{
  FutureTask ft2;
  // T1 任务需要 T2 任务的 FutureTask
  T1Task(FutureTask ft2){
    this.ft2 = ft2;
  }
  @Override
  String call() throws Exception {
    System.out.println("T1: 洗水壶...");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    
    System.out.println("T1: 烧开水...");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(15);
    // 获取 T2 线程的茶叶  
    String tf = ft2.get();
    System.out.println("T1: 拿到茶叶:"+tf);
 
    System.out.println("T1: 泡茶...");
    return " 上茶:" + tf;
  }
}
// T2Task 需要执行的任务:
// 洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶
class T2Task implements Callable {
  @Override
  String call() throws Exception {
    System.out.println("T2: 洗茶壶...");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
 
    System.out.println("T2: 洗茶杯...");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
 
    System.out.println("T2: 拿茶叶...");
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    return " 龙井 ";
  }
}
// 一次执行结果：
T1: 洗水壶...
T2: 洗茶壶...
T1: 烧开水...
T2: 洗茶杯...
T2: 拿茶叶...
T1: 拿到茶叶: 龙井
T1: 泡茶...
上茶: 龙井

二、异步编程 4.CompletableFuture

上例泡茶的代码可以使用CompletableFuture优化为：

// 任务 1：洗水壶 -> 烧开水
CompletableFuture f1 = 
  CompletableFuture.runAsync(()->{
  System.out.println("T1: 洗水壶...");
  sleep(1, TimeUnit.SECONDS);
 
  System.out.println("T1: 烧开水...");
  sleep(15, TimeUnit.SECONDS);
});
// 任务 2：洗茶壶 -> 洗茶杯 -> 拿茶叶
CompletableFuture f2 = 
  CompletableFuture.supplyAsync(()->{
  System.out.println("T2: 洗茶壶...");
  sleep(1, TimeUnit.SECONDS);
 
  System.out.println("T2: 洗茶杯...");
  sleep(2, TimeUnit.SECONDS);
 
  System.out.println("T2: 拿茶叶...");
  sleep(1, TimeUnit.SECONDS);
  return " 龙井 ";
});
// 任务 3：任务 1 和任务 2 完成后执行：泡茶
CompletableFuture f3 = 
  f1.thenCombine(f2, (__, tf)->{
    System.out.println("T1: 拿到茶叶:" + tf);
    System.out.println("T1: 泡茶...");
    return " 上茶:" + tf;
  });
// 等待任务 3 执行结果
System.out.println(f3.join());
 
void sleep(int t, TimeUnit u) {
  try {
    u.sleep(t);
  }catch(InterruptedException e){}
}
// 一次执行结果：
T1: 洗水壶...
T2: 洗茶壶...
T1: 烧开水...
T2: 洗茶杯...
T2: 拿茶叶...
T1: 拿到茶叶: 龙井
T1: 泡茶...
上茶: 龙井

CompletionStage接口

CompletableFuture 类还实现了 CompletionStage 接口，任务是有时序关系的，比如有串行关系、并行关系、汇聚关系等
CompletionStage 接口如何描述串行关系、AND 聚合关系、OR 聚合关系以及异常处理。

1.串行关系

主要是 thenApply、thenAccept、thenRun 和 thenCompose 这四个系列的接口。

2.描述 AND 汇聚关系

CompletionStage 接口里面描述 AND 汇聚关系，主要是 thenCombine、thenAcceptBoth 和 runAfterBoth 系列的接口

3. 描述 OR 汇聚关系

CompletionStage 接口里面描述 OR 汇聚关系，主要是 applyToEither、acceptEither 和 runAfterEither 系列的接口

4. 异常处理

CompletionStage exceptionally(fn);
CompletionStage whenComplete(consumer);
CompletionStage whenCompleteAsync(consumer);
CompletionStage handle(fn);
CompletionStage handleAsync(fn);

下面的示例代码展示了如何使用 exceptionally() 方法来处理异常，exceptionally() 的使用非常类似于 try{}catch{}中的 catch{}，但是由于支持链式编程方式，所以相对更简单。既然有 try{}catch{}，那就一定还有 try{}finally{}，whenComplete() 和 handle() 系列方法就类似于 try{}finally{}中的 finally{}，无论是否发生异常都会执行 whenComplete() 中的回调函数 consumer 和 handle() 中的回调函数 fn。whenComplete() 和 handle() 的区别在于 whenComplete() 不支持返回结果，而 handle() 是支持返回结果的。

CompletableFuture 
  f0 = CompletableFuture
    .supplyAsync(()->7/0))
    .thenApply(r->r*10)
    .exceptionally(e->0);
System.out.println(f0.join());

5.CompletionService 批量

用三个线程异步执行询价，通过三次调用 Future 的 get() 方法获取询价结果，之后将询价结果保存在数据库中。

// 创建线程池
ExecutorService executor =
  Executors.newFixedThreadPool(3);
// 异步向电商 S1 询价
Future f1 = 
  executor.submit(
    ()->getPriceByS1());
// 异步向电商 S2 询价
Future f2 = 
  executor.submit(
    ()->getPriceByS2());
// 异步向电商 S3 询价
Future f3 = 
  executor.submit(
    ()->getPriceByS3());
    
// 获取电商 S1 报价并保存
r=f1.get();
executor.execute(()->save(r));
  
// 获取电商 S2 报价并保存
r=f2.get();
executor.execute(()->save(r));
  
// 获取电商 S3 报价并保存  
r=f3.get();
executor.execute(()->save(r));

简化为利用 CompletionService 实现询价系统
CompletionService 的实现原理也是内部维护了一个阻塞队列，当任务执行结束就把任务的执行结果加入到阻塞队列中，不同的是 CompletionService 是把任务执行结果的 Future 对象加入到阻塞队列中，而上面的示例代码是把任务最终的执行结果放入了阻塞队列中.
CompletionService 接口的实现类是 ExecutorCompletionService，这个实现类的构造方法有两个，分别是：

ExecutorCompletionService(Executor executor)；
ExecutorCompletionService(Executor executor, BlockingQueue completionQueue)。
这两个构造方法都需要传入一个线程池，如果不指定 completionQueue，那么默认会使用无界的 LinkedBlockingQueue。任务执行结果的 Future 对象就是加入到 completionQueue 中。

// 创建线程池
ExecutorService executor = 
  Executors.newFixedThreadPool(3);
// 创建 CompletionService
CompletionService cs = new 
  ExecutorCompletionService<>(executor);
// 异步向电商 S1 询价
cs.submit(()->getPriceByS1());
// 异步向电商 S2 询价
cs.submit(()->getPriceByS2());
// 异步向电商 S3 询价
cs.submit(()->getPriceByS3());
// 将询价结果异步保存到数据库
for (int i=0; i<3; i++) {
  Integer r = cs.take().get();
  executor.execute(()->save(r));
}

CompletionService 将线程池 Executor 和阻塞队列 BlockingQueue 的功能融合在了一起，能够让批量异步任务的管理更简单。除此之外，CompletionService 能够让异步任务的执行结果有序化，先执行完的先进入阻塞队列