Java並發編程：CompletionService__java

CompletionService簡介

CompletionService與ExecutorService類似都可以用來執行線程池的任務，ExecutorService繼承了Executor介面，而CompletionService則是一個介面，那麼為什麼CompletionService不直接繼承Executor介面呢。主要是Executor的特性決定的，Executor架構不能完全保證任務執行的非同步性，那就是如果需要實現任務（task）的非同步性，只要為每個task建立一個線程就實現了任務的非同步性。代碼往往包含new Thread(task).start()。這種方式的問題在於，它沒有限制可建立線程的數量（在ExecutorService可以限制），不過，這樣最大的問題是在高並發的情況下，不斷建立線程非同步執行任務將會極大增大線程建立的開銷、造成極大的資源消耗和影響系統的穩定性。另外，Executor架構還支援同步任務的執行，就是在execute方法中調用提交任務的run()方法就屬於同步調用。

一般情況下，如果需要判斷任務是否完成，思路是得到Future列表的每個Future，然後反覆調用其get方法，並將timeout參數設為0，從而通過輪詢的方式判斷任務是否完成。為了更精確實現任務的非同步執行以及更簡便的完成任務的非同步執行，可以使用CompletionService。

CompletionService實現原理

CompletionService實際上可以看做是Executor和BlockingQueue的結合體。CompletionService在接收到要執行的任務時，通過類似BlockingQueue的put和take獲得任務執行的結果。CompletionService的一個實現是ExecutorCompletionService，ExecutorCompletionService把具體的計算任務交給Executor完成。

在實現上，ExecutorCompletionService在建構函式中會建立一個BlockingQueue（使用的基於鏈表的無界隊列LinkedBlockingQueue），該BlockingQueue的作用是儲存Executor執行的結果。當計算完成時，調用FutureTask的done方法。當提交一個任務到ExecutorCompletionService時，首先將任務封裝成QueueingFuture，它是FutureTask的一個子類，然後改寫FutureTask的done方法，之後把Executor執行的計算結果放入BlockingQueue中。QueueingFuture的源碼如下：

   private class QueueingFuture extends FutureTask<Void> {       QueueingFuture(RunnableFuture<V> task) {           super(task, null);           this.task = task;       }       protected void done() { completionQueue.add(task); }       private final Future<V> task;   }      

從代碼可以看到，CompletionService將提交的任務轉化為QueueingFuture，並且覆蓋了done方法，在done方法中就是將任務加入任務隊列中。這點與之前對Executor架構的分析是一致的。

使用ExecutorService實現任務

代碼類比了電商中載入商品詳情這一操作，因為商品屬性的多樣性，所以可以將商品的圖片顯示與商品簡介的顯示設為兩個獨立執行的任務。另外，由於商品的圖片可能有許多張，所以圖片的顯示往往比簡介顯示更慢。這個時候非同步執行能夠在一定程度上加快執行的速度提高系統的效能。下面的代碼示範了這點：

package com.rhwayfun.patchwork.concurrency.r0410;import java.text.DateFormat;import java.text.SimpleDateFormat;import java.util.ArrayList;import java.util.Date;import java.util.List;import java.util.concurrent.*;/** * Created by rhwayfun on 16-4-10. */public class DisplayProductInfoWithExecutorService {    //線程池    private final ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);    //日期格式器    private final DateFormat format = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");    // 類比電商網站商品詳情的資訊展示    // 由於可能商品的圖片可能會有很多張，所以顯示商品的圖片往往會有一定的延遲    // 除了商品的詳情外還包括商品簡介等資訊的展示，由於這裡資訊主要的是文字為    // 主，所以能夠比圖片更快顯示出來。下面的代碼就以執行這兩個任務為主線，完    // 成這兩個任務的執行。由於這兩個任務的執行存在較大差距，所以想到的第一個    // 思路就是非同步執行，首先執行映像的下載任務，之後（不會很久）開始執行商品    // 簡介資訊的展示，如果網路足夠好，圖片又不是很大的情況下，可能在開始展示    // 商品的時候映像就下載完成了，所以自然想到使用Executor和Callable完成異    // 步任務的執行。    public void renderProductDetail() {        final List<ProductInfo>  productInfos = loadProductImages();        //非同步下載映像的任務        Callable<List<ProductImage>> task = new Callable<List<ProductImage>>() {            @Override            public List<ProductImage> call() throws Exception {                List<ProductImage> imageList = new ArrayList<>();                for (ProductInfo info : productInfos){                    imageList.add(info.getImage());                }                return imageList;            }        };        //提交給線程池執行        Future<List<ProductImage>> listFuture = executorService.submit(task);        //展示商品簡介的資訊        renderProductText(productInfos);        try {            //顯示商品的圖片            List<ProductImage> imageList = listFuture.get();            renderProductImage(imageList);        } catch (InterruptedException e) {            // 如果顯示圖片發生中斷異常則重新設定線程的中斷狀態            // 這樣做可以讓wait中的線程喚醒            Thread.currentThread().interrupt();            // 同時取消任務的執行,參數false表示線上程在執行不中斷            listFuture.cancel(true);        } catch (ExecutionException e) {            try {                throw new Throwable(e.getCause());            } catch (Throwable throwable) {                throwable.printStackTrace();            }        }    }    private void renderProductImage(List<ProductImage> imageList ) {        for (ProductImage image : imageList){            try {                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            }        }        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " display products images! "            + format.format(new Date()));    }    private void renderProductText(List<ProductInfo> productInfos) {        for (ProductInfo info : productInfos){            try {                Thread.sleep(50);            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            }        }        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " display products description! "            + format.format(new Date()));    }    private List<ProductInfo> loadProductImages() {        List<ProductInfo> list = new ArrayList<>();        try {            TimeUnit.SECONDS.sleep(5);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        ProductInfo info = new ProductInfo();        info.setImage(new ProductImage());        list.add(info);        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " load products info! "                + format.format(new Date()));        return list;    }    /**     * 商品     */    private static class ProductInfo{        private ProductImage image;        public ProductImage getImage() {            return image;        }        public void setImage(ProductImage image) {            this.image = image;        }    }    private static class ProductImage{}    public static void main(String[] args){        DisplayProductInfoWithExecutorService cd = new DisplayProductInfoWithExecutorService();        cd.renderProductDetail();        System.exit(0);    }}

代碼的執行結果如下：

在上面的代碼中，嘗試並存執行商品映像的下載和簡介資訊的任務的執行，雖然這種方式能夠完成任務，但是異構任務的並行對效能的提升還是有限的。考慮一種極端情況，商品圖片的下載的速度遠遠小於簡介資訊的載入，那麼這種情況（通常兩者的載入速度的比例會是一個較大的值）下實際上任務的串列的執行效率就差不多了。而且使用了更複雜的代碼，得到的提升卻如此之小。只有當量相互獨立並且同構的任務可以並發處理時，對系統效能的提升才是巨大的 （因為載入圖片和簡介執行速度相差太大，所以不是同構的任務）。

使用CompletionService實現任務

使用CompletionService的一大改進就是把多個圖片的載入分發給多個工作單元進行處理，這樣通過分發的方式就縮小了商品圖片的載入與簡介資訊的載入的速度之間的差距，讓這些小任務線上程池中執行，這樣就大大降低了下載所有圖片的時間，所以在這個時候可以認為這兩個任務是同構的。使用CompletionService完成最合適不過了。

package com.rhwayfun.patchwork.concurrency.r0410;import java.text.DateFormat;import java.text.SimpleDateFormat;import java.util.ArrayList;import java.util.Date;import java.util.List;import java.util.concurrent.*;/** * Created by rhwayfun on 16-4-10. */public class DisplayProductInfoWithCompletionService {    //線程池    private final ExecutorService executorService;    //日期格式器    private final DateFormat format = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");    public DisplayProductInfoWithCompletionService(ExecutorService executorService) {        this.executorService = executorService;    }    public void renderProductDetail() {        final List<ProductInfo> productInfos = loadProductInfos();        CompletionService<ProductImage> completionService = new ExecutorCompletionService<ProductImage>(executorService);        //為每個映像的下載建立一個工作任務        for (final ProductInfo info : productInfos) {            completionService.submit(new Callable<ProductImage>() {                @Override                public ProductImage call() throws Exception {                    return info.getImage();                }            });        }        //展示商品簡介的資訊        renderProductText(productInfos);        try {            //顯示商品圖片            for (int i = 0, n = productInfos.size(); i < n; i++){                Future<ProductImage> imageFuture = completionService.take();                ProductImage image = imageFuture.get();                renderProductImage(image);            }        } catch (InterruptedException e) {            // 如果顯示圖片發生中斷異常則重新設定線程的中斷狀態            // 這樣做可以讓wait中的線程喚醒            Thread.currentThread().interrupt();        } catch (ExecutionException e) {            try {                throw new Throwable(e.getCause());            } catch (Throwable throwable) {                throwable.printStackTrace();            }        }    }    private void renderProductImage(ProductImage image) {        try {            Thread.sleep(100);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " display products images! "                + format.format(new Date()));    }    private void renderProductText(List<ProductInfo> productInfos) {        for (ProductInfo info : productInfos) {            try {                Thread.sleep(50);            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            }        }        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " display products description! "                + format.format(new Date()));    }    private List<ProductInfo> loadProductInfos() {        List<ProductInfo> list = new ArrayList<>();        try {            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        ProductInfo info = new ProductInfo();        info.setImage(new ProductImage());        list.add(info);        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " load products info! "                + format.format(new Date()));        return list;    }    /**     * 商品     */    private static class ProductInfo {        private ProductImage image;        public ProductImage getImage() {            return image;        }        public void setImage(ProductImage image) {            this.image = image;        }    }    private static class ProductImage {    }    public static void main(String[] args) {        DisplayProductInfoWithCompletionService cd = new DisplayProductInfoWithCompletionService(Executors.newCachedThreadPool());        cd.renderProductDetail();    }}

執行結果與上面的一樣。因為多個ExecutorCompletionService可以共用一個Executor，因此可以建立一個特定某個計算的私人的，又能共用公用的Executor的ExecutorCompletionService。

CompletionService小結 相比ExecutorService，CompletionService可以更精確和簡便地完成非同步任務的執行 CompletionService的一個實現是ExecutorCompletionService，它是Executor和BlockingQueue功能的融合體，Executor完成計算任務，BlockingQueue負責儲存非同步任務的執行結果 在執行大量相互獨立和同構的任務時，可以使用CompletionService CompletionService可以為任務的執行設定時限，主要是通過BlockingQueue的poll(long time,TimeUnit unit)為任務執行結果的取得限制時間，如果沒有完成就取消任務

在其他文章中看到了有關CompletionService與Executor的說法，覺得很有用，如下：

1.CompletionService.take 會擷取並清除已經完成Task的結果，如果當前沒有已經完成Task時，會阻塞。2.“先建立一個裝Future類型的集合，用Executor提交的任務傳回值添加到集合中，最後遍曆集合取出資料” – 這種方法通常是按照Future加入的順序。兩個方法最大的差別在於遍曆 Future 的順序，相對來說， CompletionService 的效能更高。考慮如下情境：多線程下載，結果用Future返回。第一個檔案特別大，後面的檔案很小。用方法1，能很快知道已經下載完檔案的結果(不是第一個)；而用方法2，必須等第一個檔案下載結束後，才會獲得其他檔案的下載結果。

參考地址：http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/7451464

本文轉自：
http://blog.csdn.net/u011116672/article/details/51113769