“既生 ExecutorService, 何生 CompletionService?”

“既生 ExecutorService, 何生 CompletionService?”插图

前言

在 我会手动创建线程,为什么要使用线程池? 中详细的介绍了 ExecutorService,可以将整块任务拆分做简单的并行处理;

在 不会用Java Future,我怀疑你泡茶没我快 中又详细的介绍了 Future 的使用,填补了 Runnable 不能获取线程执行结果的空缺

将二者结合起来使用看似要一招吃天下了(Java有并发,并发之大,一口吃不下), but ~~ 是我太天真

“既生 ExecutorService, 何生 CompletionService?”插图(1)

ExecutorService VS CompletionService

假设我们有 4 个任务(A, B, C, D)用来执行复杂的计算,每个任务的执行时间随着输入参数的不同而不同,如果将任务提交到 ExecutorService, 相信你已经可以“信手拈来”

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);
List<Future> futures = new ArrayList<Future<Integer>>();
futures.add(executorService.submit(A));
futures.add(executorService.submit(B));
futures.add(executorService.submit(C));
futures.add(executorService.submit(D));

// 遍历 Future list,通过 get() 方法获取每个 future 结果
for (Future future:futures) {
    Integer result = future.get();
    // 其他业务逻辑
}

先直入主题,用 CompletionService 实现同样的场景

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(4);

// ExecutorCompletionService 是 CompletionService 唯一实现类
CompletionService executorCompletionService= new ExecutorCompletionService<>(executorService );

List<Future> futures = new ArrayList<Future<Integer>>();
futures.add(executorCompletionService.submit(A));
futures.add(executorCompletionService.submit(B));
futures.add(executorCompletionService.submit(C));
futures.add(executorCompletionService.submit(D));

// 遍历 Future list,通过 get() 方法获取每个 future 结果
for (int i=0; i<futures.size(); i++) {
    Integer result = executorCompletionService.take().get();
    // 其他业务逻辑
}

两种方式在代码实现上几乎一毛一样,我们曾经说过 JDK 中不会重复造轮子,如果要造一个新轮子,必定是原有的轮子在某些场景的使用上有致命缺陷

“既生 ExecutorService, 何生 CompletionService?”插图(2)

既然新轮子出来了,二者到底有啥不同呢? 在 搞定 CompletableFuture,并发异步编程和编写串行程序还有什么区别? 文中,我们提到了 Future get() 方法的致命缺陷:

如果 Future 结果没有完成,调用 get() 方法,程序会阻塞在那里,直至获取返回结果

先来看第一种实现方式,假设任务 A 由于参数原因,执行时间相对任务 B,C,D 都要长很多,但是按照程序的执行顺序,程序在 get() 任务 A 的执行结果会阻塞在那里,导致任务 B,C,D 的后续任务没办法执行。又因为每个任务执行时间是不固定的,所以无论怎样调整将任务放到 List 的顺序,都不合适,这就是致命弊端

新轮子自然要解决这个问题,它的设计理念就是哪个任务先执行完成,get() 方法就会获取到相应的任务结果,这么做的好处是什么呢?来看个图你就瞬间理解了

“既生 ExecutorService, 何生 CompletionService?”插图(3)

“既生 ExecutorService, 何生 CompletionService?”插图(4)

两张图一对比,执行时长高下立判了,在当今高并发的时代,这点时间差,在吞吐量上起到的效果可能不是一点半点了

那 CompletionService 是怎么做到获取最先执行完的任务结果的呢?

“既生 ExecutorService, 何生 CompletionService?”插图(5)

远看CompletionService 轮廓

如果你使用过消息队列,你应该秒懂我要说什么了,CompletionService 实现原理很简单

就是一个将异步任务的生产和任务完成结果的消费解耦的服务

用人话解释一下上面的抽象概念我只能再画一张图了

“既生 ExecutorService, 何生 CompletionService?”插图(6)

说白了,哪个任务执行的完,就直接将执行结果放到队列中,这样消费者拿到的结果自然就是最早拿到的那个了

从上图中看到,有任务,有结果队列,那 CompletionService 自然也要围绕着几个关键字做文章了

  • 既然是异步任务,那自然可能用到 Runnable 或 Callable
  • 既然能获取到结果,自然也会用到 Future 了

带着这些线索,我们走进 CompletionService 源码看一看

近看 CompletionService 源码

CompletionService 是一个接口,它简单的只有 5 个方法:

Future<V> submit(Callable<V> task);
Future<V> submit(Runnable task, V result);
Future<V> take() throws InterruptedException;
Future<V> poll();
Future<V> poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

关于 2 个 submit 方法, 我在 不会用Java Future,我怀疑你泡茶没我快 文章中做了非常详细的分析以及案例使用说明,这里不再过多赘述

“既生 ExecutorService, 何生 CompletionService?”插图(7)

另外 3 个方法都是从阻塞队列中获取并移除阻塞队列第一个元素,只不过他们的功能略有不同

  • Take: 如果队列为空,那么调用 take() 方法的线程会被阻塞
  • Poll: 如果队列为空,那么调用 poll() 方法的线程会返回 null
  • Poll-timeout: 以超时的方式获取并移除阻塞队列中的第一个元素,如果超时时间到,队列还是空,那么该方法会返回 null

所以说,按大类划分上面5个方法,其实就是两个功能

  • 提交异步任务 (submit)
  • 从队列中拿取并移除第一个元素 (take/poll)

CompletionService 只是接口,ExecutorCompletionService 是该接口的唯一实现类

ExecutorCompletionService 源码分析

先来看一下类结构, 实现类里面并没有多少内容

“既生 ExecutorService, 何生 CompletionService?”插图(8)

ExecutorCompletionService 有两种构造函数:

private final Executor executor;
private final AbstractExecutorService aes;
private final BlockingQueue<Future<V>> completionQueue;

public ExecutorCompletionService(Executor executor) {
    if (executor == null)
        throw new NullPointerException();
    this.executor = executor;
    this.aes = (executor instanceof AbstractExecutorService) ?
        (AbstractExecutorService) executor : null;
    this.completionQueue = new LinkedBlockingQueue<Future<V>>();
}


public ExecutorCompletionService(Executor executor,
                                 BlockingQueue<Future<V>> completionQueue) {
    if (executor == null || completionQueue == null)
        throw new NullPointerException();
    this.executor = executor;
    this.aes = (executor instanceof AbstractExecutorService) ?
        (AbstractExecutorService) executor : null;
    this.completionQueue = completionQueue;
}

两个构造函数都需要传入一个 Executor 线程池,因为是处理异步任务的,我们是不被允许手动创建线程的,所以这里要使用线程池也就很好理解了

另外一个参数是 BlockingQueue,如果不传该参数,就会默认队列为 LinkedBlockingQueue,任务执行结果就是加入到这个阻塞队列中的

所以要彻底理解 ExecutorCompletionService ,我们只需要知道一个问题的答案就可以了:

它是如何将异步任务结果放到这个阻塞队列中的?

想知道这个问题的答案,那只需要看它提交任务之后都做了些什么?

public Future<V> submit(Callable<V> task) {
    if (task == null) throw new NullPointerException();
    RunnableFuture<V> f = newTaskFor(task);
    executor.execute(new QueueingFuture(f));
    return f;
}

我们前面也分析过,execute 是提交 Runnable 类型的任务,本身得不到返回值,但又可以将执行结果放到阻塞队列里面,所以肯定是在 QueueingFuture 里面做了文章

“既生 ExecutorService, 何生 CompletionService?”插图(9)

从上图中看一看出,QueueingFuture 实现的接口非常多,所以说也就具备了相应的接口能力。

重中之重是,它继承了 FutureTask ,FutureTask 重写了 Runnable 的 run() 方法 (方法细节分析可以查看FutureTask源码分析 ) 文中详细说明了,无论是set() 正常结果,还是setException() 结果,都会调用 finishCompletion() 方法:

private void finishCompletion() {
    // assert state > COMPLETING;
    for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
        if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {
            for (;;) {
                Thread t = q.thread;
                if (t != null) {
                    q.thread = null;
                    LockSupport.unpark(t);
                }
                WaitNode next = q.next;
                if (next == null)
                    break;
                q.next = null; // unlink to help gc
                q = next;
            }
            break;
        }
    }

  	// 重点 重点 重点
    done();

    callable = null;        // to reduce footprint
}

上述方法会执行 done() 方法,而 QueueingFuture 恰巧重写了 FutureTask 的 done() 方法:

“既生 ExecutorService, 何生 CompletionService?”插图(10)

方法实现很简单,就是将 task 放到阻塞队列中

protected void done() { 
  completionQueue.add(task); 
}

执行到此的 task 已经是前序步骤 set 过结果的 task,所以就可以通过消费阻塞队列获取相应的结果了

相信到这里,CompletionService 在你面前应该没什么秘密可言了

CompletionService 的主要用途

在 JDK docs 上明确给了两个例子来说明 CompletionService 的用途:

假设你有一组针对某个问题的solvers,每个都返回一个类型为Result的值,并且想要并发地运行它们,处理每个返回一个非空值的结果,在某些方法使用(Result r)

其实就是文中开头的使用方式

 void solve(Executor e,
            Collection<Callable<Result>> solvers)
     throws InterruptedException, ExecutionException {
     CompletionService<Result> ecs
         = new ExecutorCompletionService<Result>(e);
     for (Callable<Result> s : solvers)
         ecs.submit(s);
     int n = solvers.size();
     for (int i = 0; i < n; ++i) {
         Result r = ecs.take().get();
         if (r != null)
             use(r);
     }
 }

假设你想使用任务集的第一个非空结果,忽略任何遇到异常的任务,并在第一个任务准备好时取消所有其他任务

void solve(Executor e,
            Collection<Callable<Result>> solvers)
     throws InterruptedException {
     CompletionService<Result> ecs
         = new ExecutorCompletionService<Result>(e);
     int n = solvers.size();
     List<Future<Result>> futures
         = new ArrayList<Future<Result>>(n);
     Result result = null;
     try {
         for (Callable<Result> s : solvers)
             futures.add(ecs.submit(s));
         for (int i = 0; i < n; ++i) {
             try {
                 Result r = ecs.take().get();
                 if (r != null) {
                     result = r;
                     break;
                 }
             } catch (ExecutionException ignore) {}
         }
     }
     finally {
         for (Future<Result> f : futures)
           	// 注意这里的参数给的是 true,详解同样在前序 Future 源码分析文章中
             f.cancel(true);
     }

     if (result != null)
         use(result);
 }

这两种方式都是非常经典的 CompletionService 使用 范式 ,请大家仔细品味每一行代码的用意

范式没有说明 Executor 的使用,使用 ExecutorCompletionService,需要自己创建线程池,看上去虽然有些麻烦,但好处是你可以让多个 ExecutorCompletionService 的线程池隔离,这种隔离性能避免几个特别耗时的任务拖垮整个应用的风险 (这也是我们反复说过多次的,不要所有业务共用一个线程池

总结

CompletionService 的应用场景还是非常多的,比如

  • Dubbo 中的 Forking Cluster
  • 多仓库文件/镜像下载(从最近的服务中心下载后终止其他下载过程)
  • 多服务调用(天气预报服务,最先获取到的结果)

CompletionService 不但能满足获取最快结果,还能起到一定 “load balancer” 作用,获取可用服务的结果,使用也非常简单, 只需要遵循范式即可

并发系列 讲了这么多,分析源码的过程也碰到各种队列,接下来我们就看看那些让人眼花缭乱的队列

灵魂追问

  1. 通常处理结果还会用异步方式进行处理,如果采用这种方式,有哪些注意事项?
  2. 如果是你,你会选择使用无界队列吗?为什么?
    个人博客:https://dayarch.top
    加我微信好友, 进群娱乐学习交流,备注「进群」

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“既生 ExecutorService, 何生 CompletionService?”插图(11)

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