Java多執行緒21：多執行緒下的其他元件之CyclicBarrier、Callable、Future和FutureTask

五月的倉頡發表於2015-10-12
Java執行緒元件

CyclicBarrier

接著講多執行緒下的其他元件，第一個要講的就是CyclicBarrier。CyclicBarrier從字面理解是指迴圈屏障，它可以協同多個執行緒，讓多個執行緒在這個屏障前等待，直到所有執行緒都達到了這個屏障時，再一起繼續執行後面的動作。看一下CyclicBarrier的使用例項：

public static class CyclicBarrierThread extends Thread
{
    private CyclicBarrier cb;
    private int sleepSecond;
        
    public CyclicBarrierThread(CyclicBarrier cb, int sleepSecond)
    {
        this.cb = cb;
        this.sleepSecond = sleepSecond;
    }
        
    public void run()
    {
        try
        {
            System.out.println(this.getName() + "執行了");
            Thread.sleep(sleepSecond * 1000);
            System.out.println(this.getName() + "準備等待了, 時間為" + System.currentTimeMillis());
            cb.await();
            System.out.println(this.getName() + "結束等待了, 時間為" + System.currentTimeMillis());
        }
        catch (Exception e)
        {
            e.printStackTrace();
        } 
    }
}
    
public static void main(String[] args)
{
    Runnable runnable = new Runnable()
    {
        public void run()
        {
            System.out.println("CyclicBarrier的所有執行緒await()結束了，我執行了, 時間為" + System.currentTimeMillis());
        }
    };
    CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(3, runnable);
    CyclicBarrierThread cbt0 = new CyclicBarrierThread(cb, 3);
    CyclicBarrierThread cbt1 = new CyclicBarrierThread(cb, 6);
    CyclicBarrierThread cbt2 = new CyclicBarrierThread(cb, 9);
    cbt0.start();
    cbt1.start();
    cbt2.start();
}

看一下執行結果：

Thread-0執行了
Thread-2執行了
Thread-1執行了
Thread-0準備等待了, 時間為1444650316313
Thread-1準備等待了, 時間為1444650319313
Thread-2準備等待了, 時間為1444650322313
CyclicBarrier的所有執行緒await()結束了，我執行了, 時間為1444650322313
Thread-2結束等待了, 時間為1444650322313
Thread-0結束等待了, 時間為1444650322313
Thread-1結束等待了, 時間為1444650322313

從執行結果看，由於是同一個CyclicBarrier，Thread-0先執行到了await()的地方，等著；Thread-2接著執行到了await()的地方，還等著；Thread-1最後執行到了await()的地方，所有的執行緒都執行到了await()的地方，所以三個執行緒以及指定的Runnable"同時"執行後面的程式碼，可以看到，await()之後，四個執行緒執行的時間一模一樣，都是1444650322313。

從使用來看，可能有人覺得CyclicBarrier和CountDownLatch有點像，都是多個執行緒等待相互完成之後，再執行後面的程式碼。實際上，CountDownLatch和CyclicBarrier都是用於多個執行緒間的協調的，它們二者的幾個差別是：

1、CountDownLatch是在多個執行緒都進行了latch.countDown()後才會觸發事件，喚醒await()在latch上的執行緒，而執行countDown()的執行緒，執行完countDown()後會繼續自己執行緒的工作；CyclicBarrier是一個柵欄，用於同步所有呼叫await()方法的執行緒，執行緒執行了await()方法之後並不會執行之後的程式碼，而只有當執行await()方法的執行緒數等於指定的parties之後，這些執行了await()方法的執行緒才會同時執行

2、CountDownLatch不能迴圈使用，計數器減為0就減為0了，不能被重置；CyclicBarrier提供了reset()方法，支援迴圈使用

3、CountDownLatch當呼叫countDown()方法的執行緒數等於指定的數量之後，可以喚起多條執行緒的任務；CyclicBarrier當執行await()方法的執行緒等於指定的數量之後，只能喚起一個BarrierAction

注意，因為使用CyclicBarrier的執行緒都會阻塞在await方法上，所以線上程池中使用CyclicBarrier時要特別小心，如果執行緒池的執行緒過少，那麼就會發生死鎖了

 

Callable、Future和FutureTask

Callable

Callable和rRunnable差不多，兩者都是為那些其例項可能被另一個執行緒執行的類而設計的，最主要的差別在於Runnable不會返回執行緒運算結果，Callable可以（假如執行緒需要返回執行結果）

Future

Future是一個介面表示非同步計算的結果，它提供了檢查計算是否完成的方法，以等待計算的完成，並獲取計算的結果。Future提供了get()、cancel()、isCancel()、isDone()四種方法，表示Future有三種功能：

1、判斷任務是否完成

2、中斷任務

3、獲取任務執行結果

FutureTask

FutureTask是Future的實現類，它提供了對Future的基本實現。可使用FutureTask包裝Callable或Runnable物件，因為FutureTask實現了Runnable，所以也可以將FutureTask提交給Executor。

使用方法

Callable、Future、FutureTask一般都是和執行緒池配合使用的，因為執行緒池ThreadPoolExecutor的父類AbstractExecutorService提供了三種submit方法：

1、public Future<?> subit(Runnable task){...}

2、public <T> Future<T> submit<Runnable task, T result>{...}

3、public <T> Future<T> submit<Callable<T> task>{...}

第2個用得不多，第1個和第3個比較有用

Callable+Future使用示例

public static class CallableThread implements Callable<String>
{
    public String call() throws Exception
    {
        System.out.println("進入CallableThread的call()方法, 開始睡覺, 睡覺時間為" + System.currentTimeMillis());
        Thread.sleep(10000);
        return "123";
    }
}
    
public static void main(String[] args) throws Exception
{
    ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
    CallableThread ct = new CallableThread();
    Future<String> f = es.submit(ct);
    es.shutdown();
        
    Thread.sleep(5000);
    System.out.println("主執行緒等待5秒, 當前時間為" + System.currentTimeMillis());
        
    String str = f.get();
    System.out.println("Future已拿到資料, str = " + str + ", 當前時間為" + System.currentTimeMillis());
}

執行結果為：

進入CallableThread的call()方法, 開始睡覺, 睡覺時間為1444654421368
主執行緒等待5秒, 當前時間為1444654426369
Future已拿到資料, str = 123, 當前時間為1444654431369

看到任意一個利用Callable介面submit上去的任務，只要有一個Future接受它，Future便可以在程式任何地點嘗試去獲取這條執行緒返回出去的資料，時間可以比對一下，正好10000ms，即10s

Callable+FutureTask使用示例

有興趣的可以看下原始碼，其實使用Callable+Future的方式，es.submit(ct)方法返回的Future，底層實現new出來的是一個FutureTask。那麼，我們看一下Callable+FutureTask的方式：

public static class CallableThread implements Callable<String>
{
    public String call() throws Exception
    {
        System.out.println("進入CallableThread的call()方法, 開始睡覺, 睡覺時間為" + System.currentTimeMillis());
        Thread.sleep(10000);
        return "123";
    }
}
    
public static void main(String[] args) throws Exception
{
    ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
    CallableThread ct = new CallableThread();
    FutureTask<String> f = new FutureTask<String>(ct);
    es.submit(f);
    es.shutdown();
        
    Thread.sleep(5000);
    System.out.println("主執行緒等待5秒, 當前時間為" + System.currentTimeMillis());
        
    String str = f.get();
    System.out.println("Future已拿到資料, str = " + str + ", 當前時間為" + System.currentTimeMillis());
}

看下執行結果：

進入CallableThread的call()方法, 開始睡覺, 睡覺時間為1444655049199
主執行緒等待5秒, 當前時間為1444655054200
Future已拿到資料, str = 123, 當前時間為1444655059200

和上面的寫法執行結果一樣，就不解釋了

使用Callable、Future和FutureTask的好處

上面演示了兩個例子，其實反映的是現實中一種情況，把上面的例子稍微擴充套件一下就是：

有一個method()方法，方法中執行方法A返回一個資料要10秒鐘，A方法後面的程式碼一共要執行20秒鐘，但是這20秒的程式碼中有10秒的方法並不依賴方法A的執行結果，有10秒鐘的程式碼依賴方法A的執行結果。此時若採用同步的方式，那麼勢必要先等待10秒鐘，等待方法A執行完畢，返回資料，再執行後面20秒的程式碼。

不得不說這是一種低效率的做法。有了Callable、Future和FutureTask，那麼：

1、先把A方法的內容放到Callable實現類的call()方法中

2、method()方法中，Callable實現類傳入Executor的submit方法中

3、執行後面方法中10秒不依賴方法A執行結果的程式碼

4、獲取方法A的執行結果，執行後面方法中10秒依賴方法A執行結果的程式碼

這樣程式碼執行效率一下子就提高了，程式不必卡在A方法處。

當然，也可以不用Callable，採用實現Runnable的方式，run()方法執行完了想個辦法給method()方法中的某個變數V賦個值就好了。但是我上一篇文章開頭就說了，之所以要用多執行緒元件，就是因為JDK幫我們很好地實現好了程式碼細節，讓開發者更多可以關注業務層的邏輯。如果使用Runnable的方式，那麼我們自己就要考慮很多細節，比如Runnable實現類的run()方法執行完畢給V賦值是否執行緒安全、10秒後如果A方法沒有執行完導致V還沒有值怎麼辦，何況JDK還給使用者提供了取消任務、判斷任務是否存在等方法。既然JDK已經幫我們考慮並實現這些細節了，在沒有有說服力的理由的情況下，我們為什麼還要自己寫run()方法的實現呢？ 

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