Java 8 并发教程：线程和执行器

第一部分：线程和执行器
第二部分：同步和锁
第三部分：原子变量和 ConcurrentMap

并发在Java5中首次被引入并在后续的版本中不断得到增强。在这篇文章中介绍的大部分概念同样适用于以前的Java版本。不过我的代码示例聚焦于Java8，大量使用lambda表达式和其他新特性。如果你对lambda表达式不属性，我推荐你首先阅读我的Java 8 教程。

`Thread` 和 `Runnable`

所有的现代操作系统都通过进程和线程来支持并发。进程是通常彼此独立运行的程序的实例，比如，如果你启动了一个Java程序，操作系统产生一个新的进程，与其他程序一起并行执行。在这些进程的内部，我们使用线程并发执行代码，因此，我们可以最大限度的利用CPU可用的核心（core）。

Java从JDK1.0开始执行线程。在开始一个新的线程之前，你必须指定由这个线程执行的代码，通常称为task。这可以通过实现Runnable——一个定义了一个无返回值无参数的run()方法的函数接口，如下面的代码所示：

Runnable task = () -> {
    String threadName = Thread.currentThread().getName();
    System.out.println("Hello " + threadName);
};

task.run();

Thread thread = new Thread(task);
thread.start();

System.out.println("Done!");

因为Runnable是一个函数接口，所以我们利用lambda表达式将当前的线程名打印到控制台。首先，在开始一个线程前我们在主线程中直接运行runnable。

控制台输出的结果可能像下面这样：

Hello main
Hello Thread-0
Done!

或者这样：

Hello main
Done!
Hello Thread-0

由于我们不能预测这个runnable是在打印’done’前执行还是在之后执行。顺序是不确定的，因此在大的程序中编写并发程序是一个复杂的任务。

我们可以将线程休眠确定的时间。在这篇文章接下来的代码示例中我们可以通过这种方法来模拟长时间运行的任务。

Runnable runnable = () -> {
    try {
        String name = Thread.currentThread().getName();
        System.out.println("Foo " + name);
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        System.out.println("Bar " + name);
    }
    catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
};

Thread thread = new Thread(runnable);
thread.start();

当你运行上面的代码时，你会注意到在第一条打印语句和第二条打印语句之间存在一分钟的延迟。TimeUnit在处理单位时间时一个有用的枚举类。你可以通过调用Thread.sleep(1000)来达到同样的目的。

使用Thread类是很单调的且容易出错。由于并发API在2004年Java5发布的时候才被引入。这些API位于java.util.concurrent包下，包含很多处理并发编程的有用的类。自从这些并发API引入以来，在随后的新的Java版本发布过程中得到不断的增强，甚至Java8提供了新的类和方法来处理并发。

接下来，让我们走进并发API中最重要的一部——executor services。

`Executor`

并发API引入了ExecutorService作为一个在程序中直接使用Thread的高层次的替换方案。Executos支持运行异步任务，通常管理一个线程池，这样一来我们就不需要手动去创建新的线程。在不断地处理任务的过程中，线程池内部线程将会得到复用，因此，在我们可以使用一个executor service来运行和我们想在我们整个程序中执行的一样多的并发任务。

下面是使用executors的第一个代码示例：

ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
executor.submit(() -> {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
System.out.println("Hello " + threadName);
});

// => Hello pool-1-thread-1

Executors类提供了便利的工厂方法来创建不同类型的 executor services。在这个示例中我们使用了一个单线程线程池的 executor。

代码运行的结果类似于上一个示例，但是当运行代码时，你会注意到一个很大的差别：Java进程从没有停止！Executors必须显式的停止-否则它们将持续监听新的任务。

ExecutorService提供了两个方法来达到这个目的——shutdwon()会等待正在执行的任务执行完而shutdownNow()会终止所有正在执行的任务并立即关闭execuotr。

这是我喜欢的通常关闭executors的方式：

try {
    System.out.println("attempt to shutdown executor");
    executor.shutdown();
    executor.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS);
    }
catch (InterruptedException e) {
    System.err.println("tasks interrupted");
}
finally {
    if (!executor.isTerminated()) {
        System.err.println("cancel non-finished tasks");
    }
    executor.shutdownNow();
    System.out.println("shutdown finished");
}

executor通过等待指定的时间让当前执行的任务终止来“温柔的”关闭executor。在等待最长5分钟的时间后，execuote最终会通过中断所有的正在执行的任务关闭。

`Callable` 和 `Future`

除了Runnable，executor还支持另一种类型的任务——Callable。Callables也是类似于runnables的函数接口，不同之处在于，Callable返回一个值。

下面的lambda表达式定义了一个callable：在休眠一分钟后返回一个整数。

Callable<Integer> task = () -> {
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        return 123;
    }
    catch (InterruptedException e) {
        throw new IllegalStateException("task interrupted", e);
    }
};

Callbale也可以像runnbales一样提交给 executor services。但是callables的结果怎么办？因为submit()不会等待任务完成，executor service不能直接返回callable的结果。不过，executor 可以返回一个Future类型的结果，它可以用来在稍后某个时间取出实际的结果。

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
Future<Integer> future = executor.submit(task);

System.out.println("future done? " + future.isDone());

Integer result = future.get();

System.out.println("future done? " + future.isDone());
System.out.print("result: " + result);

在将callable提交给exector之后，我们先通过调用isDone()来检查这个future是否已经完成执行。我十分确定这会发生什么，因为在返回那个整数之前callable会休眠一分钟、

在调用get()方法时，当前线程会阻塞等待，直到callable在返回实际的结果123之前执行完成。现在future执行完毕，我们可以在控制台看到如下的结果：

future done? false
future done? true
result: 123

Future与底层的executor service紧密的结合在一起。记住，如果你关闭executor，所有的未中止的future都会抛出异常。

executor.shutdownNow();
future.get();

你可能注意到我们这次创建executor的方式与上一个例子稍有不同。我们使用newFixedThreadPool(1)来创建一个单线程线程池的 execuot service。这等同于使用newSingleThreadExecutor不过使用第二种方式我们可以稍后通过简单的传入一个比1大的值来增加线程池的大小。

超时

任何future.get()调用都会阻塞，然后等待直到callable中止。在最糟糕的情况下，一个callable持续运行——因此使你的程序将没有响应。我们可以简单的传入一个时长来避免这种情况。

    ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);

    Future<Integer> future = executor.submit(() -> {
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        return 123;
    }
    catch (InterruptedException e) {
        throw new IllegalStateException("task interrupted", e);
    }
});

    future.get(1, TimeUnit.SECONDS);

运行上面的代码将会产生一个TimeoutException：

Exception in thread "main" java.util.concurrent.TimeoutException
    at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:205)

你可能已经猜到俄为什么会排除这个异常。我们指定的最长等待时间为1分钟，而这个callable在返回结果之前实际需要两分钟。

`invokeAll`

Executors支持通过invokeAll()一次批量提交多个callable。这个方法结果一个callable的集合，然后返回一个future的列表。

ExecutorService executor = Executors.newWorkStealingPool();

List<Callable<String>> callables = Arrays.asList(
        () -> "task1",
        () -> "task2",
        () -> "task3");

executor.invokeAll(callables)
    .stream()
    .map(future -> {
        try {
            return future.get();
        }
        catch (Exception e) {
            throw new IllegalStateException(e);
        }
    })
    .forEach(System.out::println);

在这个例子中，我们利用Java8中的函数流（stream）来处理invokeAll()调用返回的所有future。我们首先将每一个future映射到它的返回值，然后将每个值打印到控制台。如果你还不属性stream，可以阅读我的Java8 Stream 教程。

`invokeAny`

批量提交callable的另一种方式就是invokeAny()，它的工作方式与invokeAll()稍有不同。在等待future对象的过程中，这个方法将会阻塞直到第一个callable中止然后返回这一个callable的结果。

为了测试这种行为，我们利用这个帮助方法来模拟不同执行时间的callable。这个方法返回一个callable，这个callable休眠指定的时间直到返回给定的结果。

Callable<String> callable(String result, long sleepSeconds) {
    return () -> {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(sleepSeconds);
        return result;
    };
}

我们利用这个方法创建一组callable，这些callable拥有不同的执行时间，从1分钟到3分钟。通过invokeAny()将这些callable提交给一个executor，返回最快的callable的字符串结果-在这个例子中为任务2：

ExecutorService executor = Executors.newWorkStealingPool();

List<Callable<String>> callables = Arrays.asList(
callable("task1", 2),
callable("task2", 1),
callable("task3", 3));

String result = executor.invokeAny(callables);
System.out.println(result);

// => task2

上面这个例子又使用了另一种方式来创建executor——调用newWorkStealingPool()。这个工厂方法是Java8引入的，返回一个ForkJoinPool类型的 executor，它的工作方法与其他常见的execuotr稍有不同。与使用一个固定大小的线程池不同，ForkJoinPools使用一个并行因子数来创建，默认值为主机CPU的可用核心数。

ForkJoinPools 在Java7时引入，将会在这个系列后面的教程中详细讲解。让我们深入了解一下 scheduled executors 来结束本次教程。

`ScheduledExecutor`

我们已经学习了如何在一个 executor 中提交和运行一次任务。为了持续的多次执行常见的任务，我们可以利用调度线程池。

ScheduledExecutorService支持任务调度，持续执行或者延迟一段时间后执行。

下面的实例，调度一个任务在延迟3分钟后执行：

ScheduledExecutorService executor = 				Executors.newScheduledThreadPool(1);

Runnable task = () -> System.out.println("Scheduling: " + System.nanoTime());
ScheduledFuture<?> future = executor.schedule(task, 3, TimeUnit.SECONDS);

TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1337);

long remainingDelay = future.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS);
System.out.printf("Remaining Delay: %sms", remainingDelay);

调度一个任务将会产生一个专门的future类型——ScheduleFuture，它除了提供了Future的所有方法之外，他还提供了getDelay()方法来获得剩余的延迟。在延迟消逝后，任务将会并发执行。

为了调度任务持续的执行，executors 提供了两个方法scheduleAtFixedRate()和scheduleWithFixedDelay()。第一个方法用来以固定频率来执行一个任务，比如，下面这个示例中，每分钟一次：

ScheduledExecutorService executor = 	Executors.newScheduledThreadPool(1);

Runnable task = () -> System.out.println("Scheduling: " + System.nanoTime());

int initialDelay = 0;
int period = 1;
executor.scheduleAtFixedRate(task, initialDelay, period, TimeUnit.SECONDS);

另外，这个方法还接收一个初始化延迟，用来指定这个任务首次被执行等待的时长。

请记住：scheduleAtFixedRate()并不考虑任务的实际用时。所以，如果你指定了一个period为1分钟而任务需要执行2分钟，那么线程池为了性能会更快的执行。

在这种情况下，你应该考虑使用scheduleWithFixedDelay()。这个方法的工作方式与上我们上面描述的类似。不同之处在于等待时间 period 的应用是在一次任务的结束和下一个任务的开始之间。例如：

ScheduledExecutorService executor = 		Executors.newScheduledThreadPool(1);

Runnable task = () -> {
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        System.out.println("Scheduling: " + System.nanoTime());
    }
    catch (InterruptedException e) {
        System.err.println("task interrupted");
    }
};

executor.scheduleWithFixedDelay(task, 0, 1, TimeUnit.SECONDS);