共享模型之线程池


自定义线程池

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可重用线程(消费者:不断获取任务来执行)+阻塞队列(生产者消费者模式下平衡速度差异的组件)+main(生产者:源源不断生成任务)

步骤1:自定义拒绝策略接口 RejectPolicy

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package com.tobestronger.n8._8_1;

/**
* 任务拒绝策略
*
* @param <T>
*/
@FunctionalInterface
interface RejectPolicy<T> {
void reject(BlockingQueue<T> queue, T task);
}

步骤2:自定义任务队列 BlockingQueue

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package com.tobestronger.n8._8_1;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.Deque;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
* 任务队列
*
* @param <T>
*/
@Slf4j(topic = "c.BlockingQueue")
class BlockingQueue<T> {

// 1. 任务队列
private Deque<T> queue = new ArrayDeque<>();

// 2. 锁,保护队列头和尾的对象的安全
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

// 3. 生产者条件变量
private Condition fullWaitSet = lock.newCondition();

// 4. 消费者条件变量
private Condition emptyWaitSet = lock.newCondition();

// 5. 容量
private int capcity;

public BlockingQueue(int capcity) {
log.info("构造BlockingQueue");
this.capcity = capcity;
}

// 带超时阻塞获取
public T poll(long timeout, TimeUnit unit) {
lock.lock();
try {
// 将 timeout 统一转换为 纳秒
long nanos = unit.toNanos(timeout);
while (queue.isEmpty()) {
try {
// 返回值是剩余时间
if (nanos <= 0) {
return null;
}
nanos = emptyWaitSet.awaitNanos(nanos);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
T t = queue.removeFirst();
fullWaitSet.signal();
return t;
} finally {
lock.unlock();
}
}

// 阻塞获取
public T take() {
lock.lock();
try {
while (queue.isEmpty()) {
try {
emptyWaitSet.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
T t = queue.removeFirst();
fullWaitSet.signal();
return t;
} finally {
lock.unlock();
}
}

// 阻塞添加
public void put(T task) {
lock.lock();
try {
//队列是否满
while (queue.size() == capcity) {
try {
log.debug("等待加入任务队列 {} ...", task);
fullWaitSet.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug("加入任务队列 {}", task);
queue.addLast(task);
emptyWaitSet.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}

// 带超时时间阻塞添加
public boolean offer(T task, long timeout, TimeUnit timeUnit) {
lock.lock();
try {
long nanos = timeUnit.toNanos(timeout);
while (queue.size() == capcity) {
try {
if(nanos <= 0) {
return false;
}
log.debug("等待加入任务队列 {} ...", task);
nanos = fullWaitSet.awaitNanos(nanos);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug("加入任务队列 {}", task);
queue.addLast(task);
emptyWaitSet.signal();
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}

//获取队列大小,即队列中的任务有几个
public int size() {
lock.lock();
try {
return queue.size();
} finally {
lock.unlock();
}
}

public void tryPut(RejectPolicy<T> rejectPolicy, T task) {
lock.lock();
try {
// 判断队列是否满
if(queue.size() == capcity) {
log.info("队列已满,按照拒绝策略处理任务 {}",task);
rejectPolicy.reject(this, task);
} else { // 有空闲
log.debug("队列未满,加入任务队列 {}", task);
queue.addLast(task);
emptyWaitSet.signal();
}
} finally {
lock.unlock();
}
}

}

步骤3:自定义线程池 ThreadPool

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package com.tobestronger.n8._8_1;


import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.HashSet;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

@Slf4j(topic = "c.ThreadPool")
class ThreadPool {

// 任务队列
private BlockingQueue<Runnable> taskQueue;

// 线程集合
private HashSet<Worker> workers = new HashSet<>();

// 核心线程数
private int coreSize;

// 获取任务时的超时时间
private long timeout;

private TimeUnit timeUnit;

/**
* 拒绝策略
*/
private RejectPolicy<Runnable> rejectPolicy;

// 执行任务
public void execute(Runnable task) {
log.info("接收到任务需要执行: "+task);

// 当任务数没有超过 coreSize 时,直接交给 worker 对象执行
// 如果任务数超过 coreSize 时,加入任务队列暂存
synchronized (workers) {
if(workers.size() < coreSize) {
log.info("coreSize未满");

Worker worker = new Worker(task);
log.debug("新增 worker {} 来执行任务 {}", worker, task);
workers.add(worker);
worker.start();
} else {
log.info("coreSize已经满了!!!!!,尝试先将任务放入队列 {}",task);

// taskQueue.put(task);
// 1) 死等
// 2) 带超时等待
// 3) 让调用者放弃任务执行
// 4) 让调用者抛出异常
// 5) 让调用者自己执行任务
taskQueue.tryPut(rejectPolicy, task);
}
}
}

public ThreadPool(int coreSize, long timeout, TimeUnit timeUnit, int queueCapcity, RejectPolicy<Runnable> rejectPolicy) {
log.info("构造ThreadPool");
this.coreSize = coreSize;
this.timeout = timeout;
this.timeUnit = timeUnit;
this.taskQueue = new BlockingQueue<>(queueCapcity);
this.rejectPolicy = rejectPolicy;
}

/**
* 工作线程
*/
class Worker extends Thread{
/**
* 执行任务主体
*/
private Runnable task;

public Worker(Runnable task) {
this.task = task;
}

/**
* 执行已有任务或从队列中获取一个任务执行.
* 如果都执行完了,就结束线程
*/
@Override
public void run() {
log.info("跑起来了,让我看看有没有task来做");

// 执行任务
// 1) 当 task 不为空,执行任务
// 2) 当 task 执行完毕,再接着从任务队列获取任务并执行
// while(task != null || (task = taskQueue.take()) != null) {
while(task != null || (task = taskQueue.poll(timeout, timeUnit)) != null) {
try {
log.debug("获取到任务了,正在执行...{}", task);
task.run();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
log.info("搞定一个任务 {},尝试获取新任务执行",task);
task = null;
}
}

synchronized (workers) {
log.debug("worker 因长时间没有可执行任务 将被释放 {}", this);
workers.remove(this);
}

}
}
}

步骤4:测试

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package com.tobestronger.n8._8_1;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

@Slf4j(topic = "c.TestCustomThreadPool")
public class TestCustomThreadPool {

public static void main(String[] args) {

ThreadPool threadPool = new ThreadPool(2,
3000, TimeUnit.MILLISECONDS, 10, (queue, task)->{
// 1. 死等
// queue.put(task);
// 2) 带超时等待
// queue.offer(task, 1500, TimeUnit.MILLISECONDS);
// 3) 让调用者放弃任务执行
// log.debug("放弃{}", task);
// 4) 让调用者抛出异常
// throw new RuntimeException("任务执行失败 " + task);
// 5) 让调用者自己执行任务
log.info("当前拒绝策略: 让调用者自己执行任务,没有开新线程,直接调用的run()");
task.run();
});

for (int i = 0; i < 4; i++) {
int j = i;
threadPool.execute(() -> {
try {
log.info("我先睡1s");
Thread.sleep(1000L);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug("我是第 {} 个任务,我马上执行完了", j);
});
}
}

}

某次的执行结果

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Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:49956', transport: 'socket'
18:25:21.216 c.ThreadPool [main] - 构造ThreadPool
18:25:21.225 c.BlockingQueue [main] - 构造BlockingQueue
18:25:21.228 c.ThreadPool [main] - 接收到任务需要执行: com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@1b68b9a4
18:25:21.229 c.ThreadPool [main] - coreSize未满
18:25:21.231 c.ThreadPool [main] - 新增 worker Thread[Thread-0,5,main] 来执行任务 com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@1b68b9a4
18:25:21.235 c.ThreadPool [main] - 接收到任务需要执行: com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@51b7e5df
18:25:21.236 c.ThreadPool [main] - coreSize已经满了!!!!!,尝试先将任务放入队列 com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@51b7e5df
18:25:21.236 c.BlockingQueue [main] - 队列未满,加入任务队列 com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@51b7e5df
18:25:21.236 c.ThreadPool [Thread-0] - 跑起来了,让我看看有没有task来做
18:25:21.236 c.ThreadPool [main] - 接收到任务需要执行: com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@18a70f16
18:25:21.236 c.ThreadPool [main] - coreSize已经满了!!!!!,尝试先将任务放入队列 com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@18a70f16
18:25:21.236 c.BlockingQueue [main] - 队列已满,按照拒绝策略处理任务 com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@18a70f16
18:25:21.236 c.TestCustomThreadPool [main] - 当前拒绝策略: 让调用者自己执行任务,没有开新线程,直接调用的run()
18:25:21.236 c.ThreadPool [Thread-0] - 获取到任务了,正在执行...com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@1b68b9a4
18:25:21.236 c.TestCustomThreadPool [main] - 我先睡1s
18:25:21.236 c.TestCustomThreadPool [Thread-0] - 我先睡1s
18:25:22.236 c.TestCustomThreadPool [Thread-0] - 我是第 0 个任务,我马上执行完了
18:25:22.236 c.ThreadPool [Thread-0] - 搞定一个任务 com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@1b68b9a4,尝试获取新任务执行
18:25:22.236 c.TestCustomThreadPool [main] - 我是第 2 个任务,我马上执行完了
18:25:22.237 c.ThreadPool [Thread-0] - 获取到任务了,正在执行...com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@51b7e5df
18:25:22.237 c.TestCustomThreadPool [Thread-0] - 我先睡1s
18:25:22.237 c.ThreadPool [main] - 接收到任务需要执行: com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@62e136d3
18:25:22.237 c.ThreadPool [main] - coreSize已经满了!!!!!,尝试先将任务放入队列 com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@62e136d3
18:25:22.237 c.BlockingQueue [main] - 队列未满,加入任务队列 com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@62e136d3
18:25:23.238 c.TestCustomThreadPool [Thread-0] - 我是第 1 个任务,我马上执行完了
18:25:23.238 c.ThreadPool [Thread-0] - 搞定一个任务 com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@51b7e5df,尝试获取新任务执行
18:25:23.238 c.ThreadPool [Thread-0] - 获取到任务了,正在执行...com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@62e136d3
18:25:23.238 c.TestCustomThreadPool [Thread-0] - 我先睡1s
18:25:24.239 c.TestCustomThreadPool [Thread-0] - 我是第 3 个任务,我马上执行完了
18:25:24.239 c.ThreadPool [Thread-0] - 搞定一个任务 com.tobestronger.n8._8_1.TestCustomThreadPool$$Lambda$2/626742236@62e136d3,尝试获取新任务执行
18:25:27.241 c.ThreadPool [Thread-0] - worker 因长时间没有可执行任务 将被释放 Thread[Thread-0,5,main]
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:49956', transport: 'socket'

Process finished with exit code 0

ThreadPoolExecutor

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线程池状态

ThreadPoolExecutor 使用 int 的高 3 位来表示线程池状态低 29 位表示线程数量

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从数字上比较,TERMINATED > TIDYING > STOP > SHUTDOWN > RUNNING。因为第一位是符号位,RUNNING 是负数,所以最小。

这些信息存储在一个原子变量 ctl 中,目的是将线程池状态与线程个数合二为一,这样就可以用一次 cas 原子操作进行赋值

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// c 为旧值, ctlOf 返回结果为新值
ctl.compareAndSet(c, ctlOf(targetState, workerCountOf(c))));

// rs 为高 3 位代表线程池状态, wc 为低 29 位代表线程个数,ctl 是合并它们
private static int ctlOf(int rs, int wc) { return rs | wc; }

构造方法

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public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler)
  • corePoolSize 核心线程数目 (最多保留的线程数)
  • maximumPoolSize 最大线程数目
  • keepAliveTime 生存时间 - 针对救急线程
  • unit 时间单位 - 针对救急线程
  • workQueue 阻塞队列
  • threadFactory 线程工厂 - 可以为线程创建时起个好名字
  • handler 拒绝策略

工作方式:

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  • 线程池中刚开始没有线程,当一个任务提交给线程池后,线程池会创建一个新线程来执行任务。

  • 当线程数达到 corePoolSize 并没有线程空闲,这时再加入任务,新加的任务会被加入workQueue 队列排队,直到有空闲的线程。

  • 如果队列选择了有界队列,那么任务超过了队列大小时,会创建 maximumPoolSize - corePoolSize 数目的线程来救急。

  • 如果线程到达 maximumPoolSize 仍然有新任务这时会执行拒绝策略。拒绝策略 jdk 提供了 4 种实现,其它著名框架也提供了实现

    • AbortPolicy 让调用者抛出 RejectedExecutionException 异常,这是默认策略

    • CallerRunsPolicy 让调用者运行任务

    • DiscardPolicy 放弃本次任务

    • DiscardOldestPolicy 放弃队列中最早的任务,本任务取而代之

    • Dubbo 的实现,在抛出 RejectedExecutionException 异常之前会记录日志,并 dump 线程栈信息,方便定位问题

    • Netty 的实现,是创建一个新线程来执行任务

    • ActiveMQ 的实现,带超时等待(60s)尝试放入队列,类似我们之前自定义的拒绝策略

    • PinPoint 的实现,它使用了一个拒绝策略链,会逐一尝试策略链中每种拒绝策略

  • 当高峰过去后,超过corePoolSize 的救急线程如果一段时间没有任务做,需要结束节省资源,这个时间由 keepAliveTime 和 unit 来控制。

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根据这个构造方法,JDK Executors 类中提供了众多工厂方法来创建各种用途的线程池.

JDK Executors类中提供的工厂方法

newFixedThreadPool

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public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}

特点

  • 核心线程数 == 最大线程数(没有救急线程被创建),因此也无需超时时间
  • 阻塞队列是无界的,可以放任意数量的任务

评价 适用于任务量已知,相对耗时的任务

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@Slf4j(topic = "c.TestExecutors")
public class TestExecutors {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
test();
}

private static void test() {
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2, new ThreadFactory() {
private AtomicInteger t = new AtomicInteger(1);

@Override
public Thread newThread(Runnable r) {
return new Thread(r, "mypool_t" + t.getAndIncrement());
}
});

pool.execute(() -> {
log.debug("1");
});

pool.execute(() -> {
log.debug("2");
});

pool.execute(() -> {
log.debug("3");
});
}
}

输出

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23:21:21.055 c.TestExecutors [mypool_t1] - 1
23:21:21.055 c.TestExecutors [mypool_t2] - 2
23:21:21.057 c.TestExecutors [mypool_t1] - 3

newCachedThreadPool

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public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}

特点

  • 核心线程数是 0,最大线程数是 Integer.MAX_VALUE,救急线程的空闲生存时间是 60s,意味着

    • 全部都是救急线程(60s 后可以回收)

    • 救急线程可以无限创建

  • 队列采用了 SynchronousQueue 实现特点是,它没有容量,没有线程来取是放不进去的(一手交钱、一手交货)

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SynchronousQueue<Integer> integers = new SynchronousQueue<>();

new Thread(() -> {
try {
log.debug("putting {} ", 1);
integers.put(1);
log.debug("{} putted...", 1);
log.debug("putting...{} ", 2);
integers.put(2);
log.debug("{} putted...", 2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"t1").start();

sleep(1);

new Thread(() -> {
try {
log.debug("taking {}", 1);
integers.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"t2").start();

sleep(1);

new Thread(() -> {
try {
log.debug("taking {}", 2);
integers.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"t3").start();

输出

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11:48:15.500 c.TestSynchronousQueue [t1] - putting 1 
11:48:16.500 c.TestSynchronousQueue [t2] - taking 1
11:48:16.500 c.TestSynchronousQueue [t1] - 1 putted...
11:48:16.500 c.TestSynchronousQueue [t1] - putting...2
11:48:17.502 c.TestSynchronousQueue [t3] - taking 2
11:48:17.503 c.TestSynchronousQueue [t1] - 2 putted...

评价

整个线程池表现为线程数会根据任务量不断增长,没有上限,当任务执行完毕,空闲 1分钟后释放线程。

适合任务数比较密集,但每个任务执行时间较短的情况

newSingleThreadExecutor

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public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}

使用场景: 多个任务串行

希望多个任务排队执行。线程数固定为 1,任务数多于 1 时,会放入无界队列排队。任务执行完毕,这唯一的线程也不会被释放。

和自己创建一个线程来工作的区别:

  • 自己创建一个单线程串行执行任务,如果任务执行失败而终止那么没有任何补救措施

  • 线程池还会新建一个线程,保证池的正常工作

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    @Slf4j(topic = "c.TestExecutors")
    public class TestExecutors {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    test();
    }

    public static void test() {
    ExecutorService pool = Executors.newSingleThreadExecutor();
    pool.execute(() -> {
    log.debug("1");
    int i = 1 / 0;
    });

    pool.execute(() -> {
    log.debug("2");
    });

    pool.execute(() -> {
    log.debug("3");
    });
    }
    }

    输出

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    23:14:37.472 c.TestExecutors [pool-1-thread-1] - 1
    23:14:37.475 c.TestExecutors [pool-1-thread-2] - 2
    23:14:37.475 c.TestExecutors [pool-1-thread-2] - 3
    Exception in thread "pool-1-thread-1" java.lang.ArithmeticException: / by zero
    at cn.itcast.n8.TestExecutors.lambda$test2$0(TestExecutors.java:20)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

和 Executors.newFixedThreadPool(1) 的区别

  • Executors.newSingleThreadExecutor() 线程个数始终为1,不能修改

    • FinalizableDelegatedExecutorService 应用的是装饰器模式,只对外暴露了 ExecutorService 接口,因此不能调用ThreadPoolExecutor 中特有的方法
  • Executors.newFixedThreadPool(1) 初始时为1,以后还可以修改

    • 对外暴露的是 ThreadPoolExecutor 对象,可以强转后调用 setCorePoolSize 等方法进行修改

(用于)提交任务(的几个方法)

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// 执行任务
void execute(Runnable command);

// 提交任务 task,用返回值 Future 获得任务执行结果
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);

// 提交 tasks 中所有任务
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
throws InterruptedException;

// 提交 tasks 中所有任务,带超时时间
<T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException;

// 提交 tasks 中所有任务,哪个任务先成功执行完毕,返回此任务执行结果,其它任务取消
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
throws InterruptedException, ExecutionException;

// 提交 tasks 中所有任务,哪个任务先成功执行完毕,返回此任务执行结果,其它任务取消,带超时时间
<T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;

submit

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@Slf4j(topic = "c.TestSubmit")
public class TestSubmit {

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
method(pool);
}

private static void method(ExecutorService pool) throws InterruptedException, ExecutionException {
Future<String> future = pool.submit(() -> {
log.debug("running");
Thread.sleep(1000);
return "ok";
});

log.debug("{}", future.get());
}
}

输出

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23:32:38.087 c.TestSubmit [pool-1-thread-1] - running
23:32:39.090 c.TestSubmit [main] - ok

invokeAll

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@Slf4j(topic = "c.TestSubmit")
public class TestSubmit {

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
method(pool);
}

private static void method(ExecutorService pool) throws InterruptedException {
List<Future<String>> futures = pool.invokeAll(Arrays.asList(
() -> {
log.debug("begin");
Thread.sleep(1000);
return "1";
},
() -> {
log.debug("begin");
Thread.sleep(500);
return "2";
},
() -> {
log.debug("begin");
Thread.sleep(2000);
return "3";
}
));

futures.forEach( f -> {
try {
log.debug("{}", f.get());
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
});
}
}

输出

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23:35:23.987 c.TestSubmit [pool-1-thread-2] - begin
23:35:23.987 c.TestSubmit [pool-1-thread-1] - begin
23:35:24.503 c.TestSubmit [pool-1-thread-2] - begin
23:35:26.519 c.TestSubmit [main] - 1
23:35:26.520 c.TestSubmit [main] - 2
23:35:26.520 c.TestSubmit [main] - 3

invokeAny

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@Slf4j(topic = "c.TestSubmit")
public class TestSubmit {

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
method(pool);

}

private static void method(ExecutorService pool) throws InterruptedException, ExecutionException {
String result = pool.invokeAny(Arrays.asList(
() -> {
log.debug("begin 1");
Thread.sleep(1000);
log.debug("end 1");
return "1";
},
() -> {
log.debug("begin 2");
Thread.sleep(500);
log.debug("end 2");
return "2";
},
() -> {
log.debug("begin 3");
Thread.sleep(2000);
log.debug("end 3");
return "3";
}
));
log.debug("{}", result);
}

输出

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23:36:38.269 c.TestSubmit [pool-1-thread-2] - begin 2
23:36:38.269 c.TestSubmit [pool-1-thread-1] - begin 1
23:36:38.772 c.TestSubmit [pool-1-thread-2] - end 2
23:36:38.772 c.TestSubmit [pool-1-thread-2] - begin 3
23:36:38.772 c.TestSubmit [main] - 2

(用于)关闭线程池(的方法)

shutdown

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/*
线程池状态变为 SHUTDOWN
- 不会接收新任务
- 但已提交任务会执行完
- 此方法不会阻塞调用线程的执行
*/
void shutdown();
public void shutdown() {
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
// 修改线程池状态
advanceRunState(SHUTDOWN);
// 仅会打断空闲线程
interruptIdleWorkers();
onShutdown(); // 扩展点 ScheduledThreadPoolExecutor
} finally {
mainLock.unlock();
}
// 尝试终结(没有运行的线程可以立刻终结,如果还有运行的线程也不会等)
tryTerminate();
}

shutdownNow

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/*
线程池状态变为 STOP
- 不会接收新任务
- 会将队列中的任务返回
- 并用 interrupt 的方式中断正在执行的任务
*/
List<Runnable> shutdownNow();
public List<Runnable> shutdownNow() {
List<Runnable> tasks;
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
checkShutdownAccess();
// 修改线程池状态
advanceRunState(STOP);
// 打断所有线程
interruptWorkers();
// 获取队列中剩余任务
tasks = drainQueue();
} finally {
mainLock.unlock();
}
// 尝试终结
tryTerminate();
return tasks;
}

其它方法

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// 不在 RUNNING 状态的线程池,此方法就返回 true
boolean isShutdown();

// 线程池状态是否是 TERMINATED
boolean isTerminated();

// 调用 shutdown 后,由于调用线程并不会等待所有任务运行结束,因此如果它想在线程池 TERMINATED 后做些事情,可以利用此方法等待
boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

(异步)模式之(工作线程) Worker Thread

定义

让有限的工作线程(Worker Thread)来轮流异步处理无限多的任务。也可以将其归类为分工模式,它的典型实现就是线程池,也体现了经典设计模式中的享元模式。

例如,海底捞的服务员(线程),轮流处理每位客人的点餐(任务),如果为每位客人都配一名专属的服务员,那么成本就太高了(对比另一种多线程设计模式:Thread-Per-Message)

注意,不同任务类型应该使用不同的线程池,这样能够避免饥饿,并能提升效率

例如,如果一个餐馆的工人既要招呼客人(任务类型A),又要到后厨做菜(任务类型B)显然效率不咋地,分成服务员(线程池A)与厨师(线程池B)更为合理,当然你能想到更细致的分工

饥饿

固定大小线程池会有饥饿现象

  • 两个工人是同一个线程池中的两个线程

  • 他们要做的事情是:为客人点餐和到后厨做菜,这是两个阶段的工作

    • 客人点餐:必须先点完餐,等菜做好,上菜,在此期间处理点餐的工人必须等待

    • 后厨做菜:没啥说的,做就是了

  • 比如工人A 处理了点餐任务,接下来它要等着 工人B 把菜做好,然后上菜,他俩也配合的蛮好

  • 但现在同时来了两个客人,这个时候工人A 和工人B 都去处理点餐了,这时没人做饭了,饥饿

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public class TestStarvation {

static final List<String> MENU = Arrays.asList("地三鲜", "宫保鸡丁", "辣子鸡丁", "烤鸡翅");
static Random RANDOM = new Random();

static String cooking() {
return MENU.get(RANDOM.nextInt(MENU.size()));
}

public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);

executorService.execute(() -> {
log.debug("处理点餐...");
Future<String> f = executorService.submit(() -> {
log.debug("做菜");
return cooking();
});
try {
log.debug("上菜: {}", f.get());
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
});
/*
executorService.execute(() -> {
log.debug("处理点餐...");
Future<String> f = executorService.submit(() -> {
log.debug("做菜");
return cooking();
});
try {
log.debug("上菜: {}", f.get());
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
});
*/
}
}

输出

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17:21:27.883 c.TestDeadLock [pool-1-thread-1] - 处理点餐...
17:21:27.891 c.TestDeadLock [pool-1-thread-2] - 做菜
17:21:27.891 c.TestDeadLock [pool-1-thread-1] - 上菜: 烤鸡翅

当注释取消后,可能的输出

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17:08:41.339 c.TestDeadLock [pool-1-thread-2] - 处理点餐... 
17:08:41.339 c.TestDeadLock [pool-1-thread-1] - 处理点餐...

解决方法可以增加线程池的大小,不过不是根本解决方案,还是前面提到的,不同的任务类型,采用不同的线程池,例如:

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public class TestStarvation {

static final List<String> MENU = Arrays.asList("地三鲜", "宫保鸡丁", "辣子鸡丁", "烤鸡翅");
static Random RANDOM = new Random();

static String cooking() {
return MENU.get(RANDOM.nextInt(MENU.size()));
}

public static void main(String[] args) {
ExecutorService waiterPool = Executors.newFixedThreadPool(1);
ExecutorService cookPool = Executors.newFixedThreadPool(1);

waiterPool.execute(() -> {
log.debug("处理点餐...");
Future<String> f = cookPool.submit(() -> {
log.debug("做菜");
return cooking();
});
try {
log.debug("上菜: {}", f.get());
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
});

waiterPool.execute(() -> {
log.debug("处理点餐...");
Future<String> f = cookPool.submit(() -> {
log.debug("做菜");
return cooking();
});
try {
log.debug("上菜: {}", f.get());
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
});

}
}

输出

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17:25:14.626 c.TestDeadLock [pool-1-thread-1] - 处理点餐... 
17:25:14.630 c.TestDeadLock [pool-2-thread-1] - 做菜
17:25:14.631 c.TestDeadLock [pool-1-thread-1] - 上菜: 地三鲜
17:25:14.632 c.TestDeadLock [pool-1-thread-1] - 处理点餐...
17:25:14.632 c.TestDeadLock [pool-2-thread-1] - 做菜
17:25:14.632 c.TestDeadLock [pool-1-thread-1] - 上菜: 辣子鸡丁

创建多少线程池合适

  • 过小会导致程序不能充分地利用系统资源、容易导致饥饿
  • 过大会导致更多的线程上下文切换,占用更多内存

CPU 密集型运算

通常采用 cpu 核数 + 1 能够实现最优的 CPU 利用率,+1 是保证当线程由于页缺失故障(操作系统)或其它原因导致暂停时,额外的这个线程就能顶上去,保证 CPU 时钟周期不被浪费

I/O 密集型运算

CPU 不总是处于繁忙状态,例如,当你执行业务计算时,这时候会使用 CPU 资源,但当你执行 I/O 操作时、远程 RPC 调用时,包括进行数据库操作时,这时候 CPU 就闲下来了,你可以利用多线程提高它的利用率。

经验公式如下

1
线程数 = 核数 * 期望 CPU 利用率 * 总时间(CPU计算时间+等待时间) / CPU 计算时间

例如 4 核 CPU 计算时间是 50% ,其它等待时间是 50%,期望 cpu 被 100% 利用,套用公式

1
4 * 100% * 100% / 50% = 8 

例如 4 核 CPU 计算时间是 10% ,其它等待时间是 90%,期望 cpu 被 100% 利用,套用公式

1
4 * 100% * 100% / 10% = 40 

任务调度线程池 ScheduledExecutorService

java.util.Timer

在『任务调度线程池』功能加入之前,可以使用 java.util.Timer 来实现定时功能,Timer 的优点在于简单易用,但由于所有任务都是由同一个线程来调度,因此所有任务都是串行执行的,同一时间只能有一个任务在执行,前一个任务的延迟或异常都将会影响到之后的任务。

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public static void main(String[] args) {
Timer timer = new Timer();

TimerTask task1 = new TimerTask() {
@Override
public void run() {
log.debug("task 1");
sleep(2);
}
};

TimerTask task2 = new TimerTask() {
@Override
public void run() {
log.debug("task 2");
}
};

log.debug("start...");
// 使用 timer 添加两个任务,希望它们都在 1s 后执行
// 但由于 timer 内只有一个线程来顺序执行队列中的任务,因此『任务1』的延时,影响了『任务2』的执行
// 甚至如果task1出异常停止后,task2都不会执行
timer.schedule(task1, 1000);
timer.schedule(task2, 1000);
}

输出

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20:58:36.945 c.TestTimer [main] - start...
20:58:37.953 c.TestTimer [Timer-0] - task 1
20:58:39.966 c.TestTimer [Timer-0] - task 2

ScheduledExecutorService

使用 ScheduledExecutorService 改写:

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ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(2);

// 添加两个任务,希望它们都在 1s 后执行
executor.schedule(() -> {
System.out.println("任务1,执行时间:" + new Date());
try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { }
}, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);

executor.schedule(() -> {
System.out.println("任务2,执行时间:" + new Date());
}, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);

输出

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任务1,执行时间:Thu Jan 03 12:45:17 CST 2019 
任务2,执行时间:Thu Jan 03 12:45:17 CST 2019

scheduleAtFixedRate 方法

间隔固定时间执行任务

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ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);

log.debug("start...");
pool.scheduleAtFixedRate(() -> {
log.debug("running...");
}, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);

输出

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21:45:43.167 c.TestTimer [main] - start... 
21:45:44.215 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running...
21:45:45.215 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running...
21:45:46.215 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running...
21:45:47.215 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running...

scheduleAtFixedRate 例子(任务执行时间超过了间隔时间):

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ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
log.debug("start...");

pool.scheduleAtFixedRate(() -> {
log.debug("running...");
sleep(2);
}, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);

输出分析:一开始,延时 1s,接下来,由于任务执行时间 > 间隔时间,间隔被『撑』到了 2s

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21:44:30.311 c.TestTimer [main] - start... 
21:44:31.360 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running...
21:44:33.361 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running...
21:44:35.362 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running...
21:44:37.362 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running...

scheduleWithFixedDelay 方法

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ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
log.debug("start...");
pool.scheduleWithFixedDelay(()-> {
log.debug("running...");
sleep(2);
}, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);

输出分析:一开始,延时 1s,scheduleWithFixedDelay 的间隔是 上一个任务结束 <-> 延时 <-> 下一个任务开始 所以间隔都是 3s

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21:40:55.078 c.TestTimer [main] - start... 
21:40:56.140 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running...
21:40:59.143 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running...
21:41:02.145 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running...
21:41:05.147 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - running...

评价

整个线程池表现为:线程数固定,任务数多于线程数时,会放入无界队列排队。任务执行完毕,这些线程也不会被释放。用来执行延迟或反复执行的任务

正确处理执行任务异常

方法1:主动捉异常

try…catch…

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ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);
pool.submit(() -> {
try {
log.debug("task1");
int i = 1 / 0;
} catch (Exception e) {
log.error("error:", e);
}
});

输出

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21:59:04.558 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - task1 
21:59:04.562 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - error:
java.lang.ArithmeticException: / by zero
at cn.itcast.n8.TestTimer.lambda$main$0(TestTimer.java:28)
at java.util.concurrent.Executors$RunnableAdapter.call(Executors.java:511)
at java.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java:266)
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

方法2:使用 Future

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ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(1);

Future<Boolean> f = pool.submit(() -> {
log.debug("task1");
int i = 1 / 0;
return true;
});
log.debug("result:{}", f.get());

输出

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21:54:58.208 c.TestTimer [pool-1-thread-1] - task1 
Exception in thread "main" java.util.concurrent.ExecutionException:
java.lang.ArithmeticException: / by zero
at java.util.concurrent.FutureTask.report(FutureTask.java:122)
at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:192)
at cn.itcast.n8.TestTimer.main(TestTimer.java:31)
Caused by: java.lang.ArithmeticException: / by zero
at cn.itcast.n8.TestTimer.lambda$main$0(TestTimer.java:28)
at java.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java:266)
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

应用之定时任务

定期执行

如何让每周四 18:00:00 定时执行任务?

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// 获得当前时间
LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
// 获取本周四 18:00:00.000
LocalDateTime thursday =
now.with(DayOfWeek.THURSDAY).withHour(18).withMinute(0).withSecond(0).withNano(0);
// 如果当前时间已经超过 本周四 18:00:00.000, 那么找下周四 18:00:00.000
if(now.compareTo(thursday) >= 0) {
thursday = thursday.plusWeeks(1);
}

// 计算时间差,即延时执行时间
long initialDelay = Duration.between(now, thursday).toMillis();
// 计算间隔时间,即 1 周的毫秒值
long oneWeek = 7 * 24 * 3600 * 1000;

ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(2);
System.out.println("开始时间:" + new Date());

executor.scheduleAtFixedRate(() -> {
System.out.println("执行时间:" + new Date());
}, initialDelay, oneWeek, TimeUnit.MILLISECONDS);

Tomcat (的)线程池(策略)

Tomcat 在哪里用到了线程池呢

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  • LimitLatch 用来限流,可以控制最大连接个数,类似 J.U.C 中的 Semaphore 后面再讲
  • Acceptor 只负责【接收新的 socket 连接】
  • Poller 只负责监听 socket channel 是否有【可读的 I/O 事件】
  • 一旦可读,封装一个任务对象(socketProcessor),提交给 Executor 线程池处理
  • Executor 线程池中的工作线程最终负责【处理请求】

扩展了 ThreadPoolExecutor

Tomcat 线程池扩展了 ThreadPoolExecutor,行为稍有不同

  • 如果总线程数达到 maximumPoolSize

    • 这时不会立刻抛 RejectedExecutionException 异常

    • 而是再次尝试将任务放入队列,如果还失败,才抛出 RejectedExecutionException 异常

源码 tomcat-7.0.42

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public void execute(Runnable command, long timeout, TimeUnit unit) {
submittedCount.incrementAndGet();
try {
super.execute(command);
} catch (RejectedExecutionException rx) {
if (super.getQueue() instanceof TaskQueue) {
final TaskQueue queue = (TaskQueue)super.getQueue();
try {
if (!queue.force(command, timeout, unit)) {
submittedCount.decrementAndGet();
throw new RejectedExecutionException("Queue capacity is full.");
}
} catch (InterruptedException x) {
submittedCount.decrementAndGet();
Thread.interrupted();
throw new RejectedExecutionException(x);
}
} else {
submittedCount.decrementAndGet();
throw rx;
}
}
}

TaskQueue.java

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public boolean force(Runnable o, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
if ( parent.isShutdown() )
throw new RejectedExecutionException(
"Executor not running, can't force a command into the queue"
);
return super.offer(o,timeout,unit); //forces the item onto the queue, to be used if the task
is rejected
}

Connector 配置

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Executor 线程配置

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Fork/Join (分治思想)

概念

Fork/Join 是 JDK 1.7 加入的新的线程池实现,它体现的是一种分治思想,适用于能够进行任务拆分的 cpu 密集型运算

所谓的任务拆分,是将一个大任务拆分为算法上相同的小任务,直至不能拆分可以直接求解。跟递归相关的一些计算,如归并排序、斐波那契数列都可以用分治思想进行求解

Fork/Join 在分治的基础上加入了多线程,可以把每个任务的分解和合并交给不同的线程来完成,进一步提升了运算效率

Fork/Join 默认会创建与 cpu 核心数大小相同的线程池

使用

提交给 Fork/Join 线程池的任务需要继承 RecursiveTask(有返回值)或 RecursiveAction(没有返回值),例如下面定义了一个对 1~n 之间的整数求和的任务

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@Slf4j(topic = "c.TestForkJoin")
public class TestForkJoin {

public static void main(String[] args) {
ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool(4);
System.out.println(pool.invoke(new MyTask(5)));

// new MyTask(5) 5+ new MyTask(4) 4 + new MyTask(3) 3 + new MyTask(2) 2 + new MyTask(1)
}
}

// 1~n 之间整数的和
@Slf4j(topic = "c.MyTask")
class MyTask extends RecursiveTask<Integer> {

private int n;

public MyTask(int n) {
this.n = n;
}

@Override
public String toString() {
return "{" + n + '}';
}

@Override
protected Integer compute() {
// 如果 n 已经为 1,可以求得结果了
if (n == 1) {
log.debug("join() {}", n);
return n;
}

// 将任务进行拆分(fork)
AddTask1 t1 = new AddTask1(n - 1);
t1.fork();//让一个线程执行任务
log.debug("fork() {} + {}", n, t1);

// 合并(join)结果
int result = n + t1.join();
log.debug("join() {} + {} = {}", n, t1, result);
return result;
}
}

结果

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[ForkJoinPool-1-worker-0] - fork() 2 + {1} 
[ForkJoinPool-1-worker-1] - fork() 5 + {4}
[ForkJoinPool-1-worker-0] - join() 1
[ForkJoinPool-1-worker-0] - join() 2 + {1} = 3
[ForkJoinPool-1-worker-2] - fork() 4 + {3}
[ForkJoinPool-1-worker-3] - fork() 3 + {2}
[ForkJoinPool-1-worker-3] - join() 3 + {2} = 6
[ForkJoinPool-1-worker-2] - join() 4 + {3} = 10
[ForkJoinPool-1-worker-1] - join() 5 + {4} = 15
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用图来表示

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改进

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class AddTask3 extends RecursiveTask<Integer> {

int begin;
int end;

public AddTask3(int begin, int end) {
this.begin = begin;
this.end = end;
}

@Override
public String toString() {
return "{" + begin + "," + end + '}';
}

@Override
protected Integer compute() {
// 5, 5
if (begin == end) {
log.debug("join() {}", begin);
return begin;
}
// 4, 5
if (end - begin == 1) {
log.debug("join() {} + {} = {}", begin, end, end + begin);
return end + begin;
}

// 1 5
int mid = (end + begin) / 2; // 3
AddTask3 t1 = new AddTask3(begin, mid); // 1,3
t1.fork();
AddTask3 t2 = new AddTask3(mid + 1, end); // 4,5
t2.fork();
log.debug("fork() {} + {} = ?", t1, t2);
int result = t1.join() + t2.join();
log.debug("join() {} + {} = {}", t1, t2, result);
return result;
}
}

然后提交给 ForkJoinPool 来执行

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public static void main(String[] args) {
ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool(4);
System.out.println(pool.invoke(new AddTask3(1, 10)));
}

结果

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[ForkJoinPool-1-worker-0] - join() 1 + 2 = 3 
[ForkJoinPool-1-worker-3] - join() 4 + 5 = 9
[ForkJoinPool-1-worker-0] - join() 3
[ForkJoinPool-1-worker-1] - fork() {1,3} + {4,5} = ?
[ForkJoinPool-1-worker-2] - fork() {1,2} + {3,3} = ?
[ForkJoinPool-1-worker-2] - join() {1,2} + {3,3} = 6
[ForkJoinPool-1-worker-1] - join() {1,3} + {4,5} = 15
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用图来表示

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文章作者: Yang Shiyu
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