并發編程實戰-創建和執行任務的最佳實踐

創建和執行任務

若無法通過并行流實現并發，則必須創建并運行自己的任務。運行任務的理想Java 8方法就是CompletableFuture。

Java并發的歷史始于非常原始和有問題的機制，并且充滿各種嘗試的優化。本文將展示一個規范形式，表示創建和運行任務的最簡單，最好的方法。

Java初期通過直接創建自己的Thread對象來使用線程，甚至子類化來創建特定“任務線程”對象。手動調用構造函數并自己啟動線程。創建所有這些線程的開銷變得非常重要，現在不鼓勵。Java 5中，添加了類來為你處理線程池。可以將任務創建為單獨的類型，然后將其交給ExecutorService運行，而不是為每種不同類型的任務創建新的Thread子類型。ExecutorService為你管理線程，并在運行任務后重新循環線程而不是丟棄線程。

創建任務

這只是個包含run()方法的Runnable類。它沒有包含實際運行任務的機制。使用Nap類中的“sleep”：

第二個構造函數在超時的時候，會顯示一條消息。TimeUnit.MILLISECONDS.sleep()：獲取“當前線程”并在參數中將其置于休眠狀態，這意味著該線程被掛起。這并不意味著底層處理器停止。os將其切換到其他任務，例如在你的計算機上運行另一個窗口。OS任務管理器定期檢查**sleep()**是否超時。當它執行時，線程被“喚醒”并給予更多處理時間。

sleep()拋已檢查的InterruptedException：通過突然中斷它們來終止任務。由于它往往會產生不穩定狀態，所以不鼓勵用來終止。但我們必須在需要或仍發生終止的情況下捕獲該異常。

執行任務

結果：

All tasks submitted main awaiting termination main awaiting termination NapTask[0] pool-1-thread-1 main awaiting termination NapTask[1] pool-1-thread-1 main awaiting termination NapTask[2] pool-1-thread-1 main awaiting termination NapTask[3] pool-1-thread-1 main awaiting termination NapTask[4] pool-1-thread-1 main awaiting termination NapTask[5] pool-1-thread-1 main awaiting termination NapTask[6] pool-1-thread-1 main awaiting termination NapTask[7] pool-1-thread-1 main awaiting termination NapTask[8] pool-1-thread-1 main awaiting termination NapTask[9] pool-1-thread-1

創建十個NapTasks并將它們提交給ExecutorService，它們開始自己運行。然而，期間main()繼續運行。當運行至exec.shutdown();時，main告訴ExecutorService完成已提交的任務，但不再接受新任務。此時，這些任務仍在運行，必須等到它們在退出main()之前完成。這是通過檢查exec.isTerminated()來實現：在所有任務完成后為true。

main()中線程的名稱是main，且只有一個其他線程pool-1-thread-1。此外，交錯輸出顯示兩個線程確實在同時運行。

若僅調用exec.shutdown()，程序將完成所有任務，若嘗試提交新任務將拋RejectedExecutionException。

exec.shutdown()的替代方法exec.shutdownNow()：除了不接受新任務，還會嘗試通過中斷任務來停止任何當前正在運行的任務。同樣，中斷是錯誤的，容易出錯，不鼓勵！

使用更多線程

使用線程的重點幾乎總是更快地完成任務，那為何要限制自己使用SingleThreadExecutor？Executors還給了我們更多選項，如CachedThreadPool：

運行該程序時，你會發現它完成得更快。這是有道理的，而不是使用相同線程來順序運行每個任務，每個任務都有自己的線程，所以它們并行運行。似乎沒有缺點，很難看出為什么有人會使用SingleThreadExecutor。

要理解這個問題，需要一個更復雜任務：

用CachedThreadPool試一下：

輸出結果：

0 pool-1-thread-1 195 3 pool-1-thread-4 400 2 pool-1-thread-3 300 1 pool-1-thread-2 200 5 pool-1-thread-6 600 6 pool-1-thread-7 700 4 pool-1-thread-5 500 7 pool-1-thread-3 800 8 pool-1-thread-5 900 9 pool-1-thread-7 1000

輸出不是期望的，并且從一次運行到下一次運行會有所不同。問題是所有的任務都試圖寫入val的單個實例，并且他們正在踩著彼此的腳趾。這樣的類就不是線程安全的。

看SingleThreadExecutor表現怎樣：

輸出結果：

0 pool-1-thread-1 100 1 pool-1-thread-1 200 2 pool-1-thread-1 300 3 pool-1-thread-1 400 4 pool-1-thread-1 500 5 pool-1-thread-1 600 6 pool-1-thread-1 700 7 pool-1-thread-1 800 8 pool-1-thread-1 900 9 pool-1-thread-1 1000

每次都得到一致結果，雖然InterferingTask缺乏線程安全性。這是SingleThreadExecutor的主要好處 - 因為它一次運行一個任務，這些任務不會相互干擾，等于強加了線程安全性。這種現象稱為線程限制，因為在單線程上運行任務限制了它們的影響。【線程限制】限制了加速，但能節省很多困難的調試和重寫。

產生結果

因為InterferingTask是Runnable，無返回值，因此只能使用副作用產生結果 - 操縱緩沖值而不是返回結果。副作用是并發編程中的主要問題之一，因為我們看到了CachedThreadPool2.java。InterferingTask中的val被稱為可變共享狀態，這就是問題：多個任務同時修改同一個變量會產生競爭。結果取決于首先在終點線上執行哪個任務，并修改變量（以及其他可能性的各種變化）。

避免競爭條件的最好方法是避免可變的共享狀態，可稱為自私的孩子原則：什么都不分享。

使用InterferingTask，最好刪除副作用并返回任務結果。為此，我們創建Callable而非Runnable：

call()完全獨立于所有其他CountingTasks生成其結果，這意味著沒有可變的共享狀態。

輸出結果：

0 pool-1-thread-1 100 2 pool-1-thread-3 100 1 pool-1-thread-2 100 3 pool-1-thread-4 100 4 pool-1-thread-5 100 5 pool-1-thread-6 100 6 pool-1-thread-7 100 7 pool-1-thread-5 100 8 pool-1-thread-7 100 9 pool-1-thread-6 100 sum = 1000

所有任務完成后，invokeAll()才會返回一個Future列表，每個任務一個Future。Future是Java 5中引入的機制，允許提交任務而無需等待它完成。

結果：

99 pool-1-thread-1 100 100

但這意味著，在CachedThreadPool3.java中，Future似乎是多余的，因為**invokeAll()**在所有任務完成前都不會返回。但此處的Future并非用于延遲結果，而是捕獲任何可能的異常。

在CachedThreadPool3.java.get()拋異常，因此extractResult()在Stream中執行此提取。因為調用get()時，Future會阻塞，所以它只能解決【等待任務完成】的問題。最終，Futures被認為是一種無效解決方案，現在不鼓勵，支持Java 8的CompletableFuture，將在后面探討。當然，你仍會在遺留庫中遇到Futures。

可使用并行Stream，更簡單優雅解決該問題：

輸出結果：

4 ForkJoinPool.commonPool-worker-15 100 1 ForkJoinPool.commonPool-worker-11 100 5 ForkJoinPool.commonPool-worker-1 100 2 ForkJoinPool.commonPool-worker-9 100 0 ForkJoinPool.commonPool-worker-6 100 3 ForkJoinPool.commonPool-worker-8 100 9 ForkJoinPool.commonPool-worker-13 100 6 main 100 8 ForkJoinPool.commonPool-worker-2 100 7 ForkJoinPool.commonPool-worker-4 100 1000

這更容易理解，需要做的就是將**parallel()**插入到其他順序操作中，然后一切都在同時運行。

Lambda和方法引用作為任務

使用lambdas和方法引用，你不僅限于使用Runnables和Callables。因為Java 8通過匹配簽名來支持lambda和方法引用（即支持結構一致性），所以我們可以將不是Runnables或Callables的參數傳遞給ExecutorService：

輸出結果：

Lambda1 NotRunnable Lambda2 NotCallable

這里，前兩個submit()調用可以改為調用execute()。所有submit()調用都返回Futures，你可以在后兩次調用的情況下提取結果。

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