本文分享自華為雲社區《【高並發】J.U.C組件擴展-雲社區-華為雲》,作者: 冰 河。
1.FutureTask
FutureTask是J.U.C(java.util.concurrent)下的,但不是AQS(AbstractQueuedSynchronizer)的子類。其對線程結果的處理值得借鑑和在項目中使用。
Thread和Runnable執行完任務無法獲取執行結果。java1.5開始提供了Callable和Future,通過它們可以在任務執行完畢之後,得到任務執行的結果。
Callable與Runnable接口對比
Callable:泛型接口,提供一個call()方法,支持拋出異常,並且執行後有返回值
Runnable:接口,提供一個run()方法,不支持拋出異常,執行後無返回值
Future接口
對於具體的Callable和Runnable任務,可以進行取消,查詢任務是否被取消,查詢是否完成以及獲取結果等。
Future可以監視目標線程調用call()的情況,當調用Future的get()方法時,就可以獲得結果。此時,執行任務的線程可能不會直接完成,當前線程就開始阻塞,直到call()方法結束返回結果,當前線程才會繼續執行。總之,Future可以得到別的線程任務方法的返回值。
FutureTask類
實現的接口為RunnableFuture,而RunnableFuture接口繼承了Runnable和Future兩個接口,所以FutureTask類最終也是執行Callable類型的任務。如果FutureTask類的構造方法參數是Runnable的話,會轉換成Callable類型。
FutureTask類實現了兩個接口:Runnable和Future。所以,它即可以作為Runnable被線程執行,又可以作為Future得到Callable的返回值,這樣設計的好處如下:
假設有一個很費時的邏輯,需要計算並且返回這個值,同時,這個值又不是馬上需要,則可以使用Runnable和Future的組合,用另外一個線程去計算返回值,而當前線程在使用這個返回值之前,可以做其他的操作,等到需要這個返回值時,再通過Future得到。
Future示例代碼如下:
package IO.binghe.concurrency.example.aqs;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
@Slf4j
public class FutureExample {
static class MyCallable implements Callable<String>{
@Override
public String call() throws exception {
log.info("do something in callable");
Thread.sleep(5000);
return "Done";
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
Future<String> future = executorService.submit(new MyCallable());
log.info("do something in main");
Thread.sleep(1000);
String result = future.get();
log.info("result: {}", result);
executorService.shutdown();
}
}
FutureTask示例代碼如下:
package io.binghe.concurrency.example.aqs;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.FutureTask;
@Slf4j
public class FutureTaskExample {
public static void main(String[] args) throws Exception{
FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<String>(new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
log.info("do something in callable");
Thread.sleep(5000);
return "Done";
}
});
new Thread(futureTask).start();
log.info("do something in main");
Thread.sleep(1000);
String result = futureTask.get();
log.info("result: {}", result);
}
}
2.fork/Join框架
位於J.U.C(java.util.concurrent)中,是Java7中提供的用於執行並行任務的框架,其可以將大任務分割成若干個小任務,最終匯總每個小任務的結果後得到最終結果。基本思想和Hadoop的MapReduce思想類似。
主要採用的是工作竊取算法(某個線程從其他隊列里竊取任務來執行),並行分治計算中的一種Work-stealing策略
為什麼需要使用工作竊取算法呢?
假如我們需要做一個比較大的任務,我們可以把這個任務分割為若干互不依賴的子任務,為了減少線程間的競爭,於是把這些子任務分別放到不同的隊列里,並為每個隊列創建一個單獨的線程來執行隊列里的任務,線程和隊列一一對應,比如A線程負責處理A隊列里的任務。但是有的線程會先把自己隊列里的任務幹完,而其他線程對應的隊列里還有任務等待處理。幹完活的線程與其等著,不如去幫其他線程幹活,於是它就去其他線程的隊列里竊取一個任務來執行。
而在這時它們會訪問同一個隊列,所以為了減少竊取任務線程和被竊取任務線程之間的競爭,通常會使用雙端隊列,被竊取任務線程永遠從雙端隊列的頭部拿任務執行,而竊取任務的線程永遠從雙端隊列的尾部拿任務執行。
工作竊取算法的優點:
充分利用線程進行並行計算,並減少了線程間的競爭
工作竊取算法的缺點:
在某些情況下還是存在競爭,比如雙端隊列里只有一個任務時。並且該算法會消耗更多的系統資源,比如創建多個線程和多個雙端隊列。
對於Fork/Join框架而言,當一個任務正在等待它使用Join操作創建的子任務結束時,執行這個任務的工作線程查找其他未被執行的任務,並開始執行這些未被執行的任務,通過這種方式,線程充分利用它們的運行時間來提高應用程式的性能。為了實現這個目標,Fork/Join框架執行的任務有一些局限性。
Fork/Join框架局限性:
(1)任務只能使用Fork和Join操作來進行同步機制,如果使用了其他同步機制,則在同步操作時,工作線程就不能執行其他任務了。比如,在Fork/Join框架中,使任務進行了睡眠,那麼,在睡眠期間內,正在執行這個任務的工作線程將不會執行其他任務了。
(2)在Fork/Join框架中,所拆分的任務不應該去執行IO操作,比如:讀寫數據文件
(3)任務不能拋出檢查異常,必須通過必要的代碼來出來這些異常
Fork/Join框架的核心類
Fork/Join框架的核心是兩個類:ForkJoinPool和ForkJoinTask。ForkJoinPool負責實現工作竊取算法、管理工作線程、提供關於任務的狀態以及執行信息。ForkJoinTask主要提供在任務中執行Fork和Join操作的機制。
示例代碼如下:
package io.binghe.concurrency.example.aqs;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.ForkJoinPool;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.RecursiveTask;
@Slf4j
public class ForkJoinTaskExample extends RecursiveTask<Integer> {
public static final int threshold = 2;
private int start;
private int end;
public ForkJoinTaskExample(int start, int end) {
this.start = start;
this.end = end;
}
@Override
protected Integer compute() {
int sum = 0;
//如果任務足夠小就計算任務
boolean canCompute = (end - start) <= threshold;
if (canCompute) {
for (int i = start; i <= end; i++) {
sum += i;
}
} else {
// 如果任務大於閾值,就分裂成兩個子任務計算
int middle = (start + end) / 2;
ForkJoinTaskExample leftTask = new ForkJoinTaskExample(start, middle);
ForkJoinTaskExample rightTask = new ForkJoinTaskExample(middle + 1, end);
// 執行子任務
leftTask.fork();
rightTask.fork();
// 等待任務執行結束合併其結果
int leftResult = leftTask.join();
int rightResult = rightTask.join();
// 合併子任務
sum = leftResult + rightResult;
}
return sum;
}
public static void main(String[] args) {
ForkJoinPool forkjoinPool = new ForkJoinPool();
//生成一個計算任務,計算1+2+3+4
ForkJoinTaskExample task = new ForkJoinTaskExample(1, 100);
//執行一個任務
Future<Integer> result = forkjoinPool.submit(task);
try {
log.info("result:{}", result.get());
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}
}
}
3.BlockingQueue
阻塞隊列,是線程安全的。
被阻塞的情況如下:
(1)當隊列滿時,進行入隊列操作
(2)當隊列空時,進行出隊列操作
使用場景如下:
主要在生產者和消費者場景
BlockingQueue的方法
BlockingQueue 具有 4 組不同的方法用於插入、移除以及對隊列中的元素進行檢查。如果請求的操作不能得到立即執行的話,每個方法的表現也不同。這些方法如下:
四組不同的行為方式解釋:
- 拋出異常
如果試圖的操作無法立即執行,拋一個異常。
- 特殊值
如果試圖的操作無法立即執行,返回一個特定的值(常常是 true / false)。
- 阻塞
如果試圖的操作無法立即執行,該方法調用將會發生阻塞,直到能夠執行。
- 超時
如果試圖的操作無法立即執行,該方法調用將會發生阻塞,直到能夠執行,但等待時間不會超過給定值。返回一個特定值以告知該操作是否成功(典型的是 true / false)。
BlockingQueue的實現類如下:
- ArrayBlockingQueue:有界的阻塞隊列(容量有限,必須在初始化的時候指定容量大小,容量大小指定後就不能再變化),內部實現是一個數組,以FIFO的方式存儲數據,最新插入的對象是尾部,最新移除的對象是頭部。
- DelayQueue:阻塞的是內部元素,DelayQueue中的元素必須實現一個接口——Delayed(存在於J.U.C下)。Delayed接口繼承了Comparable接口,這是因為Delayed接口中的元素需要進行排序,一般情況下,都是按照Delayed接口中的元素過期時間的優先級進行排序。應用場景主要有:定時關閉連接、緩存對象、超時處理等。內部實現使用PriorityQueue和ReentrantLock。
- LinkedBlockingQueue:大小配置是可選的,如果初始化時指定了大小,則是有邊界的;如果初始化時未指定大小,則是無邊界的(其實默認大小是Integer類型的最大值)。內部實現時一個鍊表,以FIFO的方式存儲數據,最新插入的對象是尾部,最新移除的對象是頭部。
- PriorityBlockingQueue:帶優先級的阻塞隊列,無邊界,但是有排序規則,允許插入空對象(也就是null)。所有插入的對象必須實現Comparable接口,隊列優先級的排序規則就是按照對Comparable接口的實現來定義的。可以從PriorityBlockingQueue中獲得一個疊代器Iterator,但這個疊代器並不保證按照優先級的順序進行疊代。
- SynchronousQueue:隊列內部僅允許容納一個元素,當一個線程插入一個元素後,就會被阻塞,除非這個元素被另一個線程消費。因此,也稱SynchronousQueue為同步隊列。SynchronousQueue是一個無界非緩存的隊列。準確的說,它不存儲元素,放入元素只有等待取走元素之後,才能再次放入元素,
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