ExecutorService Callable Future多线程返回结果的原理是什么

发布时间：2022-09-28 14:15:19 作者：iii
来源：亿速云阅读：116

ExecutorService Callable Future多线程返回结果的原理是什么

引言

在现代软件开发中，多线程编程已经成为提高应用程序性能的重要手段之一。Java作为一门广泛使用的编程语言，提供了丰富的多线程编程工具和框架。其中，ExecutorService、Callable和Future是Java并发编程中常用的三个接口，它们共同构成了Java多线程返回结果的基础。

本文将深入探讨ExecutorService、Callable和Future的工作原理，分析它们如何协同工作以实现多线程任务的执行和结果返回。我们将从基本概念入手，逐步深入到实现细节，并通过代码示例和实际应用场景来帮助读者更好地理解这些工具的使用方法和原理。

1. 基本概念

1.1 ExecutorService

ExecutorService是Java并发包java.util.concurrent中的一个接口，它扩展了Executor接口，提供了更丰富的线程池管理功能。ExecutorService允许我们提交任务（Runnable或Callable）并返回一个Future对象，通过该对象可以获取任务的执行结果或取消任务。

ExecutorService的主要功能包括：

提交任务并返回Future对象。
管理线程池的生命周期。
提供批量提交任务的方法。
支持任务的取消和中断。

1.2 Callable

Callable是Java并发包中的一个接口，它与Runnable类似，但有一个重要的区别：Callable可以返回一个结果，并且可以抛出异常。Callable接口定义了一个call()方法，该方法返回一个泛型类型的结果。

public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

与Runnable的run()方法不同，call()方法可以返回一个结果，并且可以抛出异常。这使得Callable更适合用于需要返回结果的任务。

1.3 Future

Future是Java并发包中的一个接口，它表示一个异步计算的结果。Future提供了检查计算是否完成的方法，以及获取计算结果的方法。如果计算尚未完成，get()方法将阻塞直到计算完成。

Future的主要方法包括：

boolean isDone()：判断任务是否完成。
V get()：获取任务的结果，如果任务未完成则阻塞。
V get(long timeout, TimeUnit unit)：在指定时间内获取任务的结果，如果超时则抛出TimeoutException。
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：尝试取消任务的执行。

2. ExecutorService、Callable和Future的协同工作

2.1 提交任务

在使用ExecutorService时，我们可以通过submit()方法提交一个Callable任务。submit()方法会返回一个Future对象，通过该对象可以获取任务的执行结果。

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
Future<Integer> future = executor.submit(new Callable<Integer>() {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        // 执行一些计算
        return 42;
    }
});

在上面的代码中，我们创建了一个固定大小的线程池，并提交了一个Callable任务。submit()方法返回了一个Future对象，我们可以通过该对象获取任务的结果。

2.2 获取结果

通过Future对象，我们可以获取任务的执行结果。如果任务尚未完成，get()方法将阻塞直到任务完成。

try {
    Integer result = future.get();
    System.out.println("Result: " + result);
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

在上面的代码中，我们通过future.get()方法获取任务的结果。如果任务尚未完成，get()方法将阻塞直到任务完成。如果任务执行过程中抛出异常，get()方法将抛出ExecutionException。

2.3 取消任务

通过Future对象，我们还可以取消任务的执行。cancel()方法尝试取消任务的执行，如果任务尚未开始，则任务将不会执行；如果任务已经在执行中，则根据mayInterruptIfRunning参数决定是否中断任务的执行。

boolean cancelled = future.cancel(true);
if (cancelled) {
    System.out.println("Task cancelled");
}

在上面的代码中，我们尝试取消任务的执行。如果任务成功取消，cancel()方法将返回true。

3. 实现原理

3.1 ExecutorService的实现

ExecutorService的实现通常基于线程池。线程池是一组预先创建的线程，它们可以重复使用来执行多个任务。线程池的主要优势在于减少了线程创建和销毁的开销，从而提高了系统的性能。

Java提供了多种线程池的实现，包括：

FixedThreadPool：固定大小的线程池。
CachedThreadPool：根据需要创建新线程的线程池。
SingleThreadExecutor：只有一个线程的线程池。
ScheduledThreadPool：支持定时及周期性任务执行的线程池。

这些线程池的实现都基于ThreadPoolExecutor类，该类是ExecutorService接口的核心实现。

3.2 Callable和Future的实现

Callable和Future的实现通常基于FutureTask类。FutureTask是Future接口的一个实现类，同时它也实现了Runnable接口，因此可以作为任务提交给ExecutorService执行。

FutureTask内部维护了一个状态机，用于表示任务的执行状态。任务的状态包括：

NEW：任务尚未开始执行。
COMPLETING：任务正在执行中，但尚未完成。
NORMAL：任务正常完成。
EXCEPTIONAL：任务执行过程中抛出异常。
CANCELLED：任务被取消。
INTERRUPTING：任务正在被中断。
INTERRUPTED：任务已被中断。

FutureTask通过维护这些状态来管理任务的执行和结果的获取。

3.3 任务执行流程

当我们通过ExecutorService提交一个Callable任务时，ExecutorService会将该任务封装为一个FutureTask对象，并将其放入线程池的任务队列中。线程池中的线程会从任务队列中取出任务并执行。

任务的执行流程如下：

任务被封装为FutureTask对象并提交给线程池。
线程池中的线程从任务队列中取出FutureTask对象并执行。
任务执行完成后，FutureTask对象的状态被更新为NORMAL或EXCEPTIONAL。
调用Future.get()方法时，如果任务尚未完成，则当前线程会被阻塞，直到任务完成。
任务完成后，Future.get()方法返回任务的结果或抛出异常。

3.4 任务取消流程

当我们调用Future.cancel()方法时，FutureTask会尝试取消任务的执行。取消任务的流程如下：

如果任务尚未开始执行，则任务将被标记为CANCELLED，并且不会被执行。
如果任务已经在执行中，则根据mayInterruptIfRunning参数决定是否中断任务的执行。
如果任务被成功取消，FutureTask对象的状态将被更新为CANCELLED。

4. 代码示例

为了更好地理解ExecutorService、Callable和Future的工作原理，我们来看一个完整的代码示例。

import java.util.concurrent.*;

public class ExecutorServiceExample {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小的线程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);

        // 提交一个Callable任务
        Future<Integer> future = executor.submit(new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                // 模拟一个耗时的计算任务
                Thread.sleep(1000);
                return 42;
            }
        });

        // 获取任务的结果
        try {
            Integer result = future.get();
            System.out.println("Result: " + result);
        } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 关闭线程池
        executor.shutdown();
    }
}

在上面的代码中，我们创建了一个固定大小的线程池，并提交了一个Callable任务。任务模拟了一个耗时的计算任务，并在1秒后返回结果。我们通过future.get()方法获取任务的结果，并打印出来。最后，我们关闭了线程池。

5. 实际应用场景

ExecutorService、Callable和Future在实际应用中有广泛的应用场景，以下是一些常见的应用场景：

5.1 并行计算

在需要进行大量计算的场景中，我们可以将计算任务分解为多个子任务，并通过ExecutorService并行执行这些子任务。每个子任务可以通过Callable返回计算结果，最终通过Future获取所有子任务的结果并进行汇总。

5.2 异步IO操作

在进行IO操作时，IO操作通常是阻塞的。为了避免阻塞主线程，我们可以将IO操作封装为Callable任务，并通过ExecutorService异步执行。通过Future对象，我们可以在需要时获取IO操作的结果。

5.3 定时任务

ScheduledExecutorService是ExecutorService的一个扩展接口，它支持定时及周期性任务执行。我们可以通过ScheduledExecutorService提交定时任务，并在指定的时间间隔内重复执行任务。

5.4 任务取消

在某些场景中，我们可能需要取消正在执行的任务。通过Future.cancel()方法，我们可以尝试取消任务的执行。如果任务尚未开始，则任务将不会执行；如果任务已经在执行中，则根据mayInterruptIfRunning参数决定是否中断任务的执行。

6. 总结

ExecutorService、Callable和Future是Java并发编程中非常重要的工具，它们共同构成了Java多线程返回结果的基础。通过ExecutorService，我们可以方便地管理线程池并提交任务；通过Callable，我们可以定义需要返回结果的任务；通过Future，我们可以获取任务的执行结果或取消任务的执行。

在实际应用中，ExecutorService、Callable和Future可以用于并行计算、异步IO操作、定时任务等多种场景。通过合理地使用这些工具，我们可以显著提高应用程序的性能和响应速度。

希望本文能够帮助读者更好地理解ExecutorService、Callable和Future的工作原理，并在实际开发中灵活运用这些工具。

ExecutorService Callable Future多线程返回结果的原理是什么

ExecutorService Callable Future多线程返回结果的原理是什么

引言

1. 基本概念

1.1 ExecutorService

1.2 Callable

1.3 Future

2. ExecutorService、Callable和Future的协同工作

2.1 提交任务

2.2 获取结果

2.3 取消任务

3. 实现原理

3.1 ExecutorService的实现

3.2 Callable和Future的实现

3.3 任务执行流程

3.4 任务取消流程

4. 代码示例

5. 实际应用场景

5.1 并行计算

5.2 异步IO操作

5.3 定时任务

5.4 任务取消

6. 总结

相关阅读