多线程 - 线程池框架 - 《java基础部分》

为什么引入Executor线程池框架
- new Thread()的缺点
- 线程池的优点
线程池架构
线程池架构图
线程池示例

为什么引入Executor线程池框架

new Thread()的缺点

每次new Thread()耗费性能
2. 调用new Thread()创建的线程缺乏管理，而且可以无限创建，大量线程会占用系统资源导致系统瘫痪
3. 不能进行扩展，比如延时执行或者周期执行
线程池的优点

线程可以重复使用，减少线程创建和销毁的成本
2. 可以控制线程最大并发数，避免系统资源被过多的占用
3. 提供延时执行、周期执行、并发数限制的功能
4. 有助于避免this逃逸问题
this逃逸是指在构造器函数返回之前其他线程已持有了该对象的引用，例如：

package concurrent;
/**
* this逃逸demo
*/
public class ThisEscape {
 public ThisEscape() {
     new MyThread().start();
 }
 class MyThread extends Thread {
     @Override
     public void run() {
         //通过ThisEscape.this就可以引用外围对象，但是此时外围对象还未构造完全，即发生了外围类的this逃逸
     }
 }
}

线程池框架 - 图1
一种解决方法

package concurrent;
/**
* 避免this逃逸demo
*/
public class ThisEscape {
private Thread myThread;
 public ThisEscape() {
     myThread =  new MyThread();
 }
 public void init (){
     myThread.start();
 }
 class MyThread extends Thread {
     @Override
     public void run() {
         //通过ThisEscape.this就可以引用外围对象，此时外围对象已构造完全
     }
 }
}

线程池架构

线程池框架包括：ThreadPoolService(线程池)，Executor，Executors，ExecutorService，ScheduledExecutorService，ScheduledThreadPoolService，Future，Callable等。

线程池架构图

1. Executor

它是”执行者”接口，定义了执行任务方法。Executor提供了execute()接口来执行已提交任务, 任务即一个实现了Runnable接口的类。
它只包含一个函数接口：

package java.util.concurrent;
/**
* @since 1.5
* @author Doug Lea
*/
public interface Executor {
  //  执行任务的方法 
 void execute(Runnable command);
}

2. ExecutorService

ExecutorService继承于Executor。定义了提交任务(submit方法)、让执行者执行任务(invokeAll, invokeAny方法)、让线程池关闭（shutdown方法、shutdownNow方法）等方法，它是为”执行者接口Executor”服务而存在的；
ExecutorService的函数列表

package java.util.concurrent;
import java.util.List;
import java.util.Collection;
/**
*
* @since 1.5
* @author Doug Lea
*/
public interface ExecutorService extends Executor {
 //调用此方法后，不再接受新任务，只完成线程池中正在执行或者等待的任务。线程池处于SHUTDOWN状态
 void shutdown();
 //调用此方法后，不再接受新任务，暂停处理正在等待的任务，试图停止所有正在执行的任务，并返回等待执行的任务列表。线程池处STOP状态
 List<Runnable> shutdownNow();
 //线程池已不在接受新的任务时，则返回 true
 boolean isShutdown();
 //如果关闭后所有任务都已完成，则返回 true
 boolean isTerminated();
 //请求关闭、发生超时或者当前线程中断，无论哪一个首先发生之后，都将导致阻塞，直到所有任务完成执行
 boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException;
 //提交一个Callable任务，返回一个表示该任务结果的Future
 <T> Future<T> submit(Callable<T> task);
 //提交一个Runnable任务，返回一个表示该任务结果的Future
 <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
 //提交一个Runnable任务，返回一个表示该任务结果的Future
 Future<?> submit(Runnable task);
 //执行给定的任务，当所有任务完成时，返回保持任务状态和结果Future 列表
 <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)throws InterruptedException;
 //执行给定的任务，当所有任务完成或超时期满时（无论哪个首先发生），返回保持任务状态和结果的 Future 列表
 <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException;
 //执行给定的任务，如果某个任务已成功完成（也就是未抛出异常），则返回其结果
 <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)throws InterruptedException, ExecutionException;
 //执行给定的任务，如果在给定的超时期满前某个任务已成功完成（也就是未抛出异常），则返回其结果
 <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

3. AbstractExecutorService

AbstractExecutorService是一个抽象类，它实现了ExecutorService接口。
AbstractExecutorService存在的目的是为ExecutorService中的函数接口提供了默认实现。

4. ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor就是大名鼎鼎的”线程池”。它继承于AbstractExecutorService抽象类。
ThreadPoolExecutor函数列表

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService{
 //用给定的初始参数、默认的线程工厂、被拒绝后的执行处理程序构造新的 ThreadPoolExecutor
 ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue)
 //用给定的初始参数、默认的线程工厂构造新的ThreadPoolExecutor
 ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, RejectedExecutionHandler handler)
  //用给定的初始参数、默认被拒绝的执行处理程序构造新的ThreadPoolExecutor
 ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory)
 //用给定的初始参数构造新的ThreadPoolExecutor 
 ThreadPoolExecutor(int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler)
 //在给定线程中的给定 Runnable 执行后所调用的方法。
 protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t)
 //如果在保持活动时间内没有任务到达，新任务到达时正在替换（如果需要），则设置控制核心线程是超时还是终止的策略。
 void allowCoreThreadTimeOut(boolean value)
 //如果此池允许核心线程超时和终止，如果在 keepAlive 时间内没有任务到达，新任务到达时正在替换（如果需要），则返回 true。
 boolean allowsCoreThreadTimeOut()
 //请求关闭、发生超时或者当前线程中断，无论哪一个首先发生之后，都将导致阻塞，直到所有任务完成执行。
 boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
 //在给定线程中的给定 Runnable 执行之前调用的方法。
 protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r)
 //在将来某个时间执行给定任务。
 void execute(Runnable command)
 //当不再引用此执行程序时，调用 shutdown。
 protected void finalize()
 //返回主动执行任务的近似线程数。
 int getActiveCount()
 //返回已完成执行的近似任务总数。
 long getCompletedTaskCount()
 //返回核心线程数。
 int getCorePoolSize()
 //返回线程保持活动的时间，该时间就是超过核心池大小的线程可以在终止前保持空闲的时间值。
 long getKeepAliveTime(TimeUnit unit)
 //返回曾经同时位于池中的最大线程数。
 int getLargestPoolSize()
 //返回允许的最大线程数。
 int getMaximumPoolSize()
 //返回池中的当前线程数。
 int getPoolSize()
 //返回此执行程序使用的任务队列。
 BlockingQueue<Runnable> getQueue()
 //返回用于未执行任务的当前处理程序。
 RejectedExecutionHandler getRejectedExecutionHandler()
 //返回曾计划执行的近似任务总数。
 long getTaskCount()
 //返回用于创建新线程的线程工厂。
 ThreadFactory getThreadFactory()
 //如果此执行程序已关闭，则返回 true。
 boolean isShutdown()
 //如果关闭后所有任务都已完成，则返回 true。
 boolean isTerminated()
 //如果此执行程序处于在 shutdown 或 shutdownNow 之后正在终止但尚未完全终止的过程中，则返回 true。
 boolean isTerminating()
 //启动所有核心线程，使其处于等待工作的空闲状态。
 int prestartAllCoreThreads()
 //启动核心线程，使其处于等待工作的空闲状态。
 boolean prestartCoreThread()
 //尝试从工作队列移除所有已取消的 Future 任务。
 void purge()
 //从执行程序的内部队列中移除此任务（如果存在），从而如果尚未开始，则其不再运行。
 boolean remove(Runnable task)
 //设置核心线程数。
 void setCorePoolSize(int corePoolSize)
 //设置线程在终止前可以保持空闲的时间限制。
 void setKeepAliveTime(long time, TimeUnit unit)
 //设置允许的最大线程数。
 void setMaximumPoolSize(int maximumPoolSize)
 //设置用于未执行任务的新处理程序。
 void setRejectedExecutionHandler(RejectedExecutionHandler handler)
 //设置用于创建新线程的线程工厂。
 void setThreadFactory(ThreadFactory threadFactory)
 //按过去执行已提交任务的顺序发起一个有序的关闭，但是不接受新任务。
 void shutdown()
 //尝试停止所有的活动执行任务、暂停等待任务的处理，并返回等待执行的任务列表。
 List<Runnable> shutdownNow()
 //当 Executor 已经终止时调用的方法。
 protected void terminated() 
}

5. ScheduledExecutorService

ScheduledExecutorService是一个接口，它继承于ExecutorService。它相当于提供了”延时”和”周期执行”功能的ExecutorService。
ScheduledExecutorService提供了相应的函数接口，可以安排任务在给定的延迟后执行，也可以让任务周期的执行。
ScheduledExecutorService函数列表

public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService{
 //创建并执行在给定延迟后启用的 ScheduledFuture。
 <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable, long delay, TimeUnit unit)
 //创建并执行在给定延迟后启用的一次性操作。
 ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit)
 //创建并执行一个在给定初始延迟后首次启用的定期操作，后续操作具有给定的周期；也就是将在 initialDelay 后开始执行，然后在 initialDelay+period 后执行，接着在 initialDelay + 2 * period 后执行，依此类推。
 ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)
 //创建并执行一个在给定初始延迟后首次启用的定期操作，随后，在每一次执行终止和下一次执行开始之间都存在给定的延迟。
 ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit)
}

6. ScheduledThreadPoolExecutor

ScheduledThreadPoolExecutor继承于ThreadPoolExecutor，并且实现了ScheduledExecutorService接口。它相当于提供了”延时”和”周期执行”功能的ScheduledExecutorService。
ScheduledThreadPoolExecutor类似于Timer，但是在高并发程序中，ScheduledThreadPoolExecutor的性能要优于Timer。
ScheduledThreadPoolExecutor函数列表

public class ScheduledThreadPoolExecutor extends ThreadPoolExecutor implements ScheduledExecutorService {
 //使用给定核心池大小创建一个新 ScheduledThreadPoolExecutor 
 ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize)
 //使用给定初始参数创建一个新 ScheduledThreadPoolExecutor 
 ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize, RejectedExecutionHandler handler)
 //使用给定的初始参数创建一个新 ScheduledThreadPoolExecutor 
 ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory)
 //使用给定初始参数创建一个新 ScheduledThreadPoolExecutor 
 ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler)
 //修改或替换用于执行 callable 的任务 
 protected <V> RunnableScheduledFuture<V> decorateTask(Callable<V> callable, RunnableScheduledFuture<V> task)
 //修改或替换用于执行 runnable 的任务。
 protected <V> RunnableScheduledFuture<V> decorateTask(Runnable runnable, RunnableScheduledFuture<V> task)
 //使用所要求的零延迟执行命令。
 void execute(Runnable command)
 //获取有关在此执行程序已 shutdown 的情况下、是否继续执行现有定期任务的策略。
 boolean getContinueExistingPeriodicTasksAfterShutdownPolicy()
 //获取有关在此执行程序已 shutdown 的情况下是否继续执行现有延迟任务的策略。
 boolean getExecuteExistingDelayedTasksAfterShutdownPolicy()

 //返回此执行程序使用的任务队列。
 BlockingQueue<Runnable> getQueue()
 //从执行程序的内部队列中移除此任务（如果存在），从而如果尚未开始，则其不再运行。
 boolean remove(Runnable task)
 //创建并执行在给定延迟后启用的 ScheduledFuture。
 <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable, long delay, TimeUnit unit)
 //创建并执行在给定延迟后启用的一次性操作。
 ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit)
 //创建并执行一个在给定初始延迟后首次启用的定期操作，后续操作具有给定的周期；也就是将在 initialDelay 后开始执行，然后在 initialDelay+period 后执行，接着在 initialDelay + 2 * period 后执行，依此类推。
 ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)
 //创建并执行一个在给定初始延迟后首次启用的定期操作，随后，在每一次执行终止和下一次执行开始之间都存在给定的延迟。
 ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit)
 //设置有关在此执行程序已 shutdown 的情况下是否继续执行现有定期任务的策略。
 void setContinueExistingPeriodicTasksAfterShutdownPolicy(boolean value)
 //设置有关在此执行程序已 shutdown 的情况下是否继续执行现有延迟任务的策略。
 void setExecuteExistingDelayedTasksAfterShutdownPolicy(boolean value)
 //在以前已提交任务的执行中发起一个有序的关闭，但是不接受新任务。
 void shutdown()
 //尝试停止所有正在执行的任务、暂停等待任务的处理，并返回等待执行的任务列表。
 List<Runnable> shutdownNow()
 //提交一个返回值的任务用于执行，返回一个表示任务结果的Future。
 <T> Future<T> submit(Callable<T> task)
 //提交一个Runnable任务用于执行，并返回一个表示该任务的Future。
 Future<?> submit(Runnable task)
 //提交一个Runnable任务用于执行，并返回一个表示该任务的Future。
 <T> Future<T> submit(Runnable task, T result)
}

7. Executors

Executors是个静态工厂类。它通过静态工厂方法返回ExecutorService、ScheduledExecutorService、ThreadFactory 和 Callable 等类的对象。
Executors函数列表

public class Executors {
 //返回 Callable 对象，调用它时可运行给定特权的操作并返回其结果。
 static Callable<Object> callable(PrivilegedAction<?> action)
 //返回 Callable 对象，调用它时可运行给定特权的异常操作并返回其结果。
 static Callable<Object> callable(PrivilegedExceptionAction<?> action)
 //返回 Callable 对象，调用它时可运行给定的任务并返回 null。
 static Callable<Object> callable(Runnable task)
 //返回 Callable 对象，调用它时可运行给定的任务并返回给定的结果。
 static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result)
 //返回用于创建新线程的默认线程工厂。
 static ThreadFactory defaultThreadFactory()
 //创建一个可缓存的线程池，调用execute将重用以前构造的线程（如果线程可用）。如果现有线程没有可用的，则创建一个新线程并添加到池中。终止并从缓存中移除那些已有 60 秒钟未被使用的线程。
 static ExecutorService newCachedThreadPool()
 //和上面方法一样，只是使用了外部提供的 ThreadFactory 创建新线程。
 static ExecutorService newCachedThreadPool(ThreadFactory threadFactory)
 //创建一个可重用固定线程数的线程池，以共享的无界队列方式来运行这些线程。
 static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)
 //创建一个可重用固定线程数的线程池，以共享的无界队列方式来运行这些线程，在需要时使用提供的 ThreadFactory 创建新线程。
 static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory)
 //创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。
 static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)
 //创建一个线程池，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。
 static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory)
 //创建一个使用单个 worker 线程的 Executor，以无界队列方式来运行该线程。
 static ExecutorService newSingleThreadExecutor()
 //创建一个使用单个 worker 线程的 Executor，以无界队列方式来运行该线程，并在需要时使用提供的 ThreadFactory 创建新线程。
 static ExecutorService newSingleThreadExecutor(ThreadFactory threadFactory)
 //创建一个单线程执行程序，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。
 static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor()
 //创建一个单线程执行程序，它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。
 static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor(ThreadFactory threadFactory)
 //返回 Callable 对象，调用它时可在当前的访问控制上下文中执行给定的 callable 对象。
static <T> Callable<T> privilegedCallable(Callable<T> callable)
 //返回 Callable 对象，调用它时可在当前的访问控制上下文中，使用当前上下文类加载器作为上下文类加载器来执行给定的 callable 对象。
 static <T> Callable<T> privilegedCallableUsingCurrentClassLoader(Callable<T> callable)
 //返回用于创建新线程的线程工厂，这些新线程与当前线程具有相同的权限。
 static ThreadFactory privilegedThreadFactory()
 //返回一个将所有已定义的 ExecutorService 方法委托给指定执行程序的对象，但是使用强制转换可能无法访问其他方法。
 static ExecutorService unconfigurableExecutorService(ExecutorService executor)
 //返回一个将所有已定义的 ExecutorService 方法委托给指定执行程序的对象，但是使用强制转换可能无法访问其他方法。
 static ScheduledExecutorService unconfigurableScheduledExecutorService(ScheduledExecutorService executor)
}

线程池示例

在分析线程池之前，先看一个简单的线程池示例。**

import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
public class ThreadPoolDemo1 {
 public static void main(String[] args) {
     // 创建一个可重用固定线程数的线程池
     ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
     // 创建实现了Runnable接口对象，Thread对象当然也实现了Runnable接口
     Thread ta = new MyThread();
     Thread tb = new MyThread();
     Thread tc = new MyThread();
     Thread td = new MyThread();
     Thread te = new MyThread();
     // 将线程放入池中进行执行
     pool.execute(ta);
     pool.execute(tb);
     pool.execute(tc);
     pool.execute(td);
     pool.execute(te);
     // 关闭线程池
     pool.shutdown();
 }
}
class MyThread extends Thread {
 @Override
 public void run() {
     System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " is running.");
 }
}

运行结果：
线程池框架 - 图3
结果说明：
主线程中创建了线程池pool，线程池的容量是2。即，线程池中最多能同时运行2个线程。
紧接着，将ta,tb,tc,td,te这3个线程添加到线程池中运行。
最后，通过shutdown()关闭线程池。

线程池框架