Java 併發：執行緒、執行緒池和執行器全面教程

本指南深入研究了Executor介面的內部工作原理及其各種實現。

併發的基礎知識
想象一下餐廳廚房的單一流程。廚房本身就代表了這個過程，準備食物、洗碗和接受訂單等各種任務同時發生。現在，執行緒作為廚房裡的廚師進來了。每個廚師（執行緒）處理特定的任務，但可以訪問相同的食材和裝置（共享記憶體）。這允許在單個程序中高效執行多個任務。

併發 vs. 並行性

併發：考慮同時下載多個檔案。每次下載都是獨立發生的，但它們都爭奪相同的網際網路頻寬（就像廚房裡的廚師共享資源一樣）。這並不一定意味著下載速度更快，但它允許同時處理所有檔案。
並行性：想象一下在具有多個核心的計算機上處理一個大型影片檔案。每個核心可以同時處理影片的不同部分，與處理整個任務的單個核心相比，真正實現了更快的處理速度。在這裡，任務真正並行執行，與共享資源的併發下載不同。

雖然多執行緒帶來了好處，但它也帶來了複雜性：

死鎖：想象一下兩個廚師正在等待對方的工具來完成他們的任務。這就造成了僵局，兩個廚師都無法繼續進行，從而導致整個廚房（流程）停止。
競爭條件：想象兩個收銀員試圖同時更新庫存系統。一個收銀員可能會讀取當前庫存，出售商品，然後嘗試更新庫存，而另一位收銀員也會做同樣的事情。這可能會導致資料不一致（例如，在沒有庫存時顯示一件商品有庫存）。
同步：為了避免這些問題，我們需要像主廚一樣管理任務流程進行協調。同步機制確保執行緒以受控方式訪問共享資源，從而防止死鎖和競爭條件。

揭開執行器介面
在多執行緒的世界裡，執行緒的建立、管理和潛在隱患可能會變得一團糟。這時，Executor（執行器）介面優雅地登場了。它就像一個契約，是程式提交任務以供執行的一種定義明確的方式，而不會陷入執行緒建立和排程的複雜細節中。

Executor 介面的核心功能封裝在 execute(Runnable task) 方法中。從本質上講，該方法將一段程式碼封裝在一個 Runnable 物件中，然後將其交給非同步執行。非同步執行簡單地說就是程式在繼續執行之前不等待任務完成。這樣，當提交的任務在後臺併發執行時，程式仍能保持響應。

根據我的經驗，Executor 介面將任務提交與底層執行緒管理分離開來，從而提供了顯著的優勢。這種分離能使程式碼更簡潔，讓開發人員專注於任務的邏輯，而不是執行緒建立和排程的複雜性。

在此基礎上，ExecutorService 介面擴充套件了 Executor 的功能，提供了更多用於管理任務執行生命週期的方法。其中包括關閉執行器、優雅地終止正在執行的任務以及檢查已提交任務狀態的方法。這些功能為管理 Java 應用程式中的併發執行提供了更全面的方法。

Powerhouse：執行器實現
Java 中的類Executors提供了一系列令人愉快的 Executor 實現，每個實現都滿足特定的應用程式需求。讓我們深入研究這些選項，並探索最適合您的多執行緒烹飪創作（應用程式）的選項。

1. FixThreadPool：可靠的主力
想象一下一個熙熙攘攘的餐廳廚房，有一個專門的廚師團隊（執行緒）。這FixedThreadPool類似於這種情況。它維護固定數量的執行緒（核心池大小），努力處理傳入的任務（請求），而不動態建立新執行緒。這種可預測性使其成為具有預定義工作負載的應用程式的理想選擇。

真實示例： Web 伺服器通常會經歷相對穩定的使用者流量。A FixedThreadPool 可以配置核心池大小，以有效處理此預期負載，確保平穩執行而不會出現資源過載。

2. CachedThreadPool：按需廚師隊伍
現在，想象一下處理大量影像縮圖的照片編輯應用程式。反映CachedThreadPool了這種動態環境。它以執行緒的核心池大小開始，但神奇之處在於它能夠根據需要建立新執行緒。一旦執行緒完成其任務（縮圖處理），它就可以用於新任務，從而無需不斷維護大量空閒執行緒。這種彈性使其適合具有突發工作負載的應用程式，其特點是任務峰值不可預測。

現實示例：照片編輯軟體通常會處理數量波動的影像操作。A CachedThreadPool 透過動態擴充套件執行緒數量、最佳化資源利用率來有效處理這些突發。

3. ScheduledThreadPoolExecutor：準時的工頭
想象一個每週自動檢查軟體更新的系統。體現ScheduledThreadPoolExecutor了這一理念。它擅長安排任務在特定延遲後或定期（例如每週更新）執行。該執行器提供對任務排程的細粒度控制，確保及時執行，而不會擾亂應用程式的核心功能。

現實示例：許多應用程式需要後臺任務以特定的時間間隔執行。A ScheduledThreadPoolExecutor 可以配置為無縫處理這些任務，使主程式免於管理時序。

4. SingleThreadExecutor：有序的抄寫員
維護一個日誌檔案，其中的條目需要按照嚴格的時間順序寫入，這是一個很好的例子SingleThreadExecutor。該執行器確保任務按順序執行，一個接一個。這可以防止可能導致日誌條目混亂或不同步的併發問題。

現實示例：日誌系統通常需要嚴格的條目排序以保持清晰的審計跟蹤。A SingleThreadExecutor 保證此順序，防止資料損壞或混亂。

選擇合適的執行人：關鍵在於合適
根據我的經驗，選擇合適的執行器對於最佳化多執行緒效能至關重要。請考慮您應用程式的工作負載特徵。

如果您的任務數量可預測，那麼固定執行緒池（FixedThreadPool）就是您可靠的夥伴。
對於波動的工作負載，CachedThreadPool 可以無縫適應。
排程任務可以透過 ScheduledThreadPoolExecutor 找到理想的歸宿，
而確保秩序則需要 SingleThreadExecutor。

關鍵配置引數：微調您的執行器
除了執行器型別的選擇之外，微調其行為也至關重要。以下是一些關鍵配置引數：

核心池大小：這決定了始終執行的最小執行緒數，保證了處理能力的基線水平。
最大池大小：這設定了池可以建立的執行緒數的上限，以防止資源耗盡。
保持活動時間：這定義了空閒執行緒在終止之前等待的時間，影響資源使用和響應能力。

透過了解每種 Executor 型別的優勢並熟練地配置其引數，您可以在 Java 應用程式中編排執行良好的多執行緒交響曲。

我們已經探索了 Executors 類所提供的各種執行器。現在，讓我們深入探討一下每種型別在現實世界中的應用場景，並提供程式碼片段來說明它們的有效用法。請記住，這些都是演示核心概念的簡化示例。

1.FixedThreadPool可預測的執行者

場景：網路伺服器不斷收到使用者對網頁和資料的請求。
最佳選擇：固定執行緒池。我們知道工作量是相對穩定的，因此固定數量的執行緒可以有效地處理請求，而不會產生不必要的開銷。

<font>// Import necessary classes<i>
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class WebServer {

    private static final int NUM_THREADS = 5; // Adjust based on expected traffic<i>

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

        // 模擬處理使用者請求（用實際邏輯代替）<i>
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Runnable task = () -> System.out.println("Handling user request " + i);
            executor.execute(task);
        }

        // 處理請求後優雅關機<i>
        executor.shutdown();
    }
}

2.CachedThreadPool：動態雙核

情景：一款照片編輯應用程式允許使用者同時調整多張圖片的大小。
最合適：快取執行緒池。圖片的數量可能會變化，因此按需建立執行緒可最佳化資源使用。

<font>// Import necessary classes<i>
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class PhotoEditor {

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

        // Simulate resizing images (replace with actual logic)<i>
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Runnable task = () -> System.out.println("Resizing image " + i);
            executor.execute(task);
        }

        // Graceful shutdown after processing images<i>
        executor.shutdown();
    }
}

3.ScheduledThreadPoolExecutor：計時員

情景：應用程式需要每週檢查軟體更新。
最佳選擇：ScheduledThreadPoolExecutor.安排任務定期執行以進行更新檢查。

<font>// Import necessary classes<i>
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class UpdateChecker {

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(1);

        // Schedule a task to check for updates every week<i>
        Runnable task = () -> System.out.println("Checking for updates...");
        executor.scheduleAtFixedRate(task, 0, 1, TimeUnit.WEEKS); // Initial delay, period<i>

        // Simulate application running for some time<i>
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // Graceful shutdown after some time<i>
        executor.shutdown();
    }
}

4.SingleThreadExecutor：有序的守護者

情景：日誌系統需要按照特定順序將條目寫入檔案。
最佳選擇：單執行緒執行器。確保按順序寫入條目，防止資料損壞。

<font>// Import necessary classes<i>
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class LogWriter {

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();

        // Simulate writing log entries (replace with actual logic)<i>
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Runnable task = () -> System.out.println("Writing log entry " + i);
            executor.execute(task);
        }

        // Graceful shutdown after writing logs<i>
        executor.shutdown();
    }
}

注意點：

濫用執行器可能會導致資源利用效率低下、效能問題或死鎖。
不適當的設定可能會導致執行緒匱乏（沒有足夠的執行緒）、資源耗盡（執行緒太多）或過多的任務排隊延遲。
突然終止可能會導致資源掛起和任務未完成。
未處理的異常可能會導致不可預測的行為和潛在的執行緒池崩潰。
長時間執行的任務可能會導致其他等待資源的任務捱餓，從而影響整體效能。
不受監控的執行緒池可能會導致資源耗盡和效能下降。

Java 併發：執行緒、執行緒池和執行器全面教程

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