Java Executors详解

Java的多线程编程一直被广泛使用和研究。它提供了许多方式来管理和控制线程的行为。但是这些功能并不足以方便地进行线程管理。在这种情况下，Java的并发库提供了一种解决办法，即使用java.util.concurrent.Executors类来管理线程。它使线程管理变得更加简单、易于理解和实现。本文将从多个方面对Java Executors进行详细的介绍。

一、线程池

线程池是一种执行多个任务的方式，使用线程池可以避免创建线程的开销，以及将任务排队等待的时间，从而提高程序的响应速度和性能。Java的线程池管理器类是java.util.concurrent.ExecutorService接口。下面是一个实现线程池的示例：

“`java
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Runnable worker = new MyRunnable(i);
executor.execute(worker);
}
executor.shutdown();
while (!executor.isTerminated()) {
}
System.out.println("Finished all threads");
“`

这里使用newFixedThreadPool方法创建一个固定大小的线程池。该线程池有5个线程。然后，循环运行10个任务。这些任务由MyRunnable类实现，实现了Runnable接口。execute()方法将每个任务提交给线程池，线程池会从线程池中的空闲线程中选择一个线程来执行它们。最后，关闭线程池，并等待所有任务完成。注意，这里的线程池最大可用线程数是5个。如果提交10个任务，则前5个将立即开始，而剩余5个任务将排队等待线程可用。

二、ScheduledExecutorService

Java的ScheduledExecutorService接口提供了一种调度执行任务的机制。下面是一个使用ScheduledExecutorService的示例：

“`java
ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(2);
ScheduledFuture scheduledFuture =
executor.scheduleAtFixedRate(new MyRunnable(), 1, 5, TimeUnit.SECONDS);
“`

这里创建了一个大小为2的ScheduledExecutorService。然后使用scheduleAtFixedRate方法将任务提交给它。任务由MyRunnable实现。scheduleAtFixedRate表示每隔5秒钟执行一次任务。这里，需要注意的是，它初始延迟时间为1秒，因此，任务将在1秒后就开始执行。返回值是ScheduledFuture，它表示定期调度任务的结果和控制。可以使用以下代码取消执行：

“`java
scheduledFuture.cancel(true);
“`

三、Callable和Future

Callable是一个带有类型参数的接口，可以使用它来执行一个返回类型的异步任务。上面的代码已经使用了Runnable测试任务的执行。Callable并行计算的执行可以使用Future类。Future是一个带有类型参数的接口，用于获取并处理异步任务的结果。

下面是一个使用Callable和Future的示例：

“`java
ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
Future future = executor.submit(new Callable() {
@Override
public Integer call() throws Exception {
int count = 0;
for (int i = 0; i < 100; i++) {
count += i;
}
return count;
}
});
try {
System.out.println("result : " + future.get());
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
executor.shutdown();
“`

这里，使用newSingleThreadExecutor方法创建一个只有单个线程的线程池。这个线程池将执行一个返回类型为Integer的异步任务，这个任务是一个Callable实现。submit()方法提交任务，并返回一个Future对象。然后，通过调用get()方法等待异步任务完成并获取结果。最后，关闭线程池。

四、CompletionService

CompletionService是一种在完成任务时返回结果的一种更高级的机制。CompletionService表示处理线程执行结果的一组队列。它提供了一个带有队列的ExecutorService的实现，可以使用它来获取已完成任务的结果。CompletionService和Future都可以用于获取任务的结果，但CompletionService可以更多地控制任务的执行和获取它们的结果。

下面是一个使用CompletionService的示例：

“`java
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
CompletionService completionService = new ExecutorCompletionService(executor);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int taskId = i;
completionService.submit(new Callable() {
@Override
public Integer call() throws Exception {
Thread.sleep(2000);
return taskId;
}
});
}
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
System.out.println(completionService.take().get());
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
executor.shutdown();
“`

这里创建一个固定大小为5的线程池。然后，使用ExecutorCompletionService代替CompletionService，以将任务提交给它。这个示例将提交执行10个任务，每个任务执行2秒钟。当任务完成时，take()方法将返回一个Future对象。使用get()方法等待异步任务完成并获取它的结果。最后，关闭线程池。

五、ForkJoinPool

Java的ForkJoinPool类是一个特殊的线程池，它可以重用线程，以便更好地利用CPU和内存资源。ForkJoinPool的主要设计目标是支持分治任务，例如在QuickSort或合并排序中使用。下面是一个使用ForkJoinPool的示例：

“`java
class ForkJoinMergeSort<T extends Comparable> extends RecursiveAction {
private T[] array;
private int start;
private int end;

public ForkJoinMergeSort(T[] array, int start, int end) {
super();
this.array = array;
this.start = start;
this.end = end;
}

@Override
protected void compute() {
if (end – start < 2) {
return;
}
int middle = (start + end) / 2;
invokeAll(new ForkJoinMergeSort(array, start, middle),
new ForkJoinMergeSort(array, middle, end));
merge(array, start, middle, end);
}

private void merge(T[] array, int start, int middle, int end) {
T[] tempArray = (T[]) new Comparable[end – start];
int i = start;
int j = middle;
int k = 0;
while (i < middle && j < end) {
tempArray[k++] = array[i].compareTo(array[j]) < 0 ? array[i++] : array[j++];
}
while (i < middle) {
tempArray[k++] = array[i++];
}
while (j < end) {
tempArray[k++] = array[j++];
}
System.arraycopy(tempArray, 0, array, start, tempArray.length);
}
}

public class ForkJoinPoolDemo {
public static void main(String[] args) {
Integer[] array = { 3, 56, 23, 1, 5, 34, 78, 2, 45, 99 };
ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
ForkJoinMergeSort task = new ForkJoinMergeSort(array, 0, array.length);
pool.invoke(task);
pool.shutdown();
System.out.println(Arrays.toString(array));
}
}
“`

这里实现一个单核心的归并排序算法，并使用ForkJoinPool类执行算法。ForkJoinPool从内部维护线程池，递归地拆分任务，将它们分配给可用的线程，当线程完成任务时将结果汇总。在这里，元素列表被递归地划分为子列表，直到列表元素数量为1，然后逐步合并这些子列表，直到完成排序。

以上就是Java Executors的详细介绍。它是Java多线程编程中的一个重要组成部分，并且提供了许多有用的实用程序，使线程编程变得更加容易和高效。