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• • 18.1 基本概念和原理
  • • 18.1.1 基本接口
    • 18.1.2 基本用法
    • 18.1.3 基本实现原理
    • • 1.AbstractExecutorService
      • 2.FutureTask
    • 18.1.4 小结
  • 参考目录

18.1 基本概念和原理

      下面，我们来看异步任务执行服务的基本接口、用法和实现原理。

18.1.1 基本接口

      首先，我们来看任务执行服务涉及的基本接口：

      ·Runnable和Callable：表示要执行的异步任务。

      ·Executor和ExecutorService：表示执行服务。

      ·Future：表示异步任务的结果。

      关于Runnable和Callable，我们在前面章节都已经了解了，都表示任务，Runnable没有返回结果，而Callable有，Runnable不会抛出异常，而 Callable会。

      Executor表示最简单的执行服务，其定义为：

      就是可以执行一个Runnable，没有返回结果。接口没有限定任务如何执行，可能是创建一个新线程，可能是复用线程池中的某个线程，也可能是在调用者线程中执行。

      ExecutorService扩展了Executor，定义了更多服务，基本方法有：

      这三个submit都表示提交一个任务，返回值类型都是Future，返回后，只是表示任务已提交，不代表已执行，通过Future可以查询异步任务的状态、获取最终结果、取消任务等。我们知道，对于Callable，任务最终有个返回值，而对于Runnable是没有返回值的；第二个提交 Runnable的方法可以同时提供一个结果，在异步任务结束时返回；第三 个方法异步任务的最终返回值为null。

      我们来看Future接口的定义：

      get用于返回异步任务最终的结果，如果任务还未执行完成，会阻塞等待，另一个get方法可以限定阻塞等待的时间，如果超时任务还未 结束，会抛出TimeoutException。

      cancel用于取消异步任务，如果任务已完成、或已经取消、或由于某种原因不能取消，cancel返回false，否则返回true。如果任务还未开始，则不再运行。但如果任务已经在运行，则不一定能取消，参数 mayInterruptIfRunning表示，如果任务正在执行，是否调用interrupt方法 中断线程，如果为false就不会，如果为true，就会尝试中断线程，但我 们从15.4节知道，中断不一定能取消线程。

      isDone和isCancelled用于查询任务状态。isCancelled表示任务是否被取消，只要cancel方法返回了true，随后的isCancelled方法都会返回 true，即使执行任务的线程还未真正结束。isDone表示任务是否结束， 不管什么原因都算，可能是任务正常结束，可能是任务抛出了异常，也可能是任务被取消。

      我们再来看下get方法，任务最终大概有三种结果：

      1）正常完成，get方法会返回其执行结果，如果任务是Runnable且没有提供结果，返回null。

      2）任务执行抛出了异常，get方法会将异常包装为 ExecutionException重新抛出，通过异常的getCause方法可以获取原异常。

      3）任务被取消了，get方法会抛出异常CancellationException。

      如果调用get方法的线程被中断了，get方法会抛出 InterruptedException。

      Future是一个重要的概念，是实现“任务的提交”与“任务的执行”相分离的关键，是其中的“纽带”，任务提交者和任务执行服务通过它隔离各自的关注点，同时进行协作。

18.1.2 基本用法

      说了这么多接口，具体怎么用呢？我们看个简单的例子，如代码清 单18-1所示。

      我们使用工厂类Executors创建了一个任务执行服务。Executors有多个静态方法，可以用来创建ExecutorService，这里使用的是：

      表示使用一个线程执行所有服务，后续我们会详细介绍Executors， 注意与Executor相区别，后者是单数，是接口。

      不管ExecutorService是如何创建的，对使用者而言，用法都一样， 例子提交了一个任务，提交后，可以继续执行其他事情，随后可以通过 Future获取最终结果或处理任务执行的异常。

      最后，我们调用了ExecutorService的shutdown方法，它会关闭任务执行服务。

      前面我们只是介绍了ExecutorService的三个submit方法，其实它还有如下方法：

      有两个关闭方法：shutdown和shutdownNow。区别是，shutdown表示不再接受新任务，但已提交的任务会继续执行，即使任务还未开始执行；shutdownNow不仅不接受新任务，而且会终止已提交但尚未执行的任务，对于正在执行的任务，一般会调用线程的interrupt方法尝试中断，不过，线程可能不响应中断，shutdownNow会返回已提交但尚未执行的任务列表。

      shutdown和shutdownNow不会阻塞等待，它们返回后不代表所有任务都已结束，不过isShutdown方法会返回true。调用者可以通过 awaitTermination等待所有任务结束，它可以限定等待的时间，如果超时前所有任务都结束了，即isTerminated方法返回true，则返回true，否则 返回false。

      ExecutorService有两组批量提交任务的方法：invokeAll和 invokeAny，它们都有两个版本，其中一个限定等待时间。

      invokeAll等待所有任务完成，返回的Future列表中，每个Future的 isDone方法都返回true，不过isDone为true不代表任务就执行成功了，可能是被取消了。invokeAll可以指定等待时间，如果超时后有的任务没完成，就会被取消。

      而对于invokeAny，只要有一个任务在限时内成功返回了，它就会 返回该任务的结果，其他任务会被取消；如果没有任务能在限时内成功 返回，抛出TimeoutException；如果限时内所有任务都结束了，但都发 生了异常，抛出ExecutionException。

      使用ExecutorService，编写并发异步任务的代码就像写顺序程序一 样，不用关心线程的创建和协调，只需要提交任务、处理结果就可以 了，大大简化了开发工作。

18.1.3 基本实现原理

      了解了ExecutorService和Future的基本用法，我们来看下它们的基 本实现原理。

      ExecutorService的主要实现类是ThreadPoolExecutor，它是基于线程池实现的，关于线程池我们下节再介绍。ExecutorService有一个抽象实现类AbstractExecutorService，本节，我们简要分析其原理，并基于它实 现一个简单的ExecutorService。Future的主要实现类是FutureTask，我们 也会简要探讨其原理。

1.AbstractExecutorService

      AbstractExecutorService提供了submit、invokeAll和invokeAny的默认实现，子类需要实现其他方法。除了execute，其他方法都与执行服务的 生命周期管理有关，简化起见，我们忽略其实现，主要考虑execute。 submit/invokeAll/invokeAny最终都会调用execute，execute决定了到底如何执行任务，简化起见，我们为每个任务创建一个线程。一个完整的最 简单的ExecutorService实现类如代码清单18-2所示。

      对于前面的例子，创建ExecutorService的代码可以替换为：

      可以实现相同的效果。

      ExecutorService最基本的方法是submit，它是如何实现的呢？我们 来看AbstractExecutor-Service的代码（基于Java 7，和Java 8 实现一样）：

      它调用newTaskFor生成了一个RunnableFuture，RunnableFuture是一个接口，既扩展了Runnable，又扩展了Future，没有定义新方法，作为 Runnable，它表示要执行的任务，传递给execute方法进行执行，作为 Future，它又表示任务执行的异步结果。这可能令人混淆，我们来看具体代码：

      就是创建了一个FutureTask对象，FutureTask实现了RunnableFuture 接口。它是怎么实现的呢？我们接下来看（基于Java 7，Java 8 一样）。

2.FutureTask

      它有一个成员变量表示待执行的任务，声明为：

      有个整数变量state表示状态，声明为：

      取值可能为：

      有个变量表示最终的执行结果或异常，声明为：

      有个变量表示运行任务的线程：

      还有个单向链表表示等待任务执行结果的线程：

      FutureTask的构造方法会初始化callable和状态，如果FutureTask接 受的是一个Runnable对象，它会调用Executors.callable转换为Callable对象，如下所示：

      任务执行服务会使用一个线程执行FutureTask的run方法。run方法 的代码为：

      其基本逻辑是：

      1）调用callable的call方法，捕获任何异常；

      2）如果正常执行完成，调用set设置结果，保存到outcome；

      3）如果执行过程发生异常，调用setException设置异常，异常也是 保存到outcome，但状态不一样；

      4）set和setException除了设置结果、修改状态外，还会调用 finishCompletion，它会唤醒所有等待结果的线程。

      对于任务提交者，它通过get方法获取结果，限时get方法的代码为：

      其基本逻辑是：如果任务还未执行完毕，就等待，最后调用report 报告结果，report根据状态返回结果或抛出异常，代码为：

      cancel方法的代码为：

      其基本逻辑为：

      ·如果任务已结束或取消，返回false；

      ·如果mayInterruptIfRunning为true，调用interrupt中断线程，设置状态为INTERR-UPTED；

      ·如果mayInterruptIfRunning为false，设置状态为CANCELLED；

      ·调用finishCompletion唤醒所有等待结果的线程。

18.1.4 小结

      本节介绍了Java并发包中任务执行服务的基本概念和原理，该服务体现了并发异步开发中“关注点分离”的思想，使用者只需要通过 ExecutorService提交任务，通过Future操作任务和结果即可，不需要关 注线程创建和协调的细节。

      本节主要介绍了AbstractExecutorService和FutureTask的基本原理，实现了一个最简单的执行服务SimpleExecutorService，对每个任务创建 一个单独的线程。实际中，最经常使用的执行服务是基于线程池实现的 ThreadPoolExecutor，让我们下一节来探讨。

参考目录

绝大多数内容来自于：Java编程的逻辑 作者: 马俊昌（第18章 异步任务执行服务 18.1 基本概念和原理）

Java官方文档
https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html