Java编程--定时器/线程池/工厂模式/ ThreadPoolExecutor

前言

逆水行舟，不进则退！！！

什么是定时器

实现一个定时器

自己实现一个定时器

什么是线程池

线程池的使用：

什么是工厂模式？

自己实现一个线程池：

ThreadPoolExecutor 类

什么是Runnable 任务？

什么是 Callable 任务？

获取异步的执行结果是什么意思？

ThreadPoolExecutor类的构造方法有7个参数，

什么是定时器

在Java编程中，定时器是一种工具，它用于在指定的时间点主动触发某个事件，而无需外力去开启或启动。这种机制可以节省人力并实现统一管理。其中，java.util.Timer类是最常用的定时器实现方式，它允许开发者安排在指定时间运行的任务。使用Timer类创建定时器主要包括以下步骤：

首先，创建一个Timer对象；

其次，创建一个TimerTask对象，该对象包含了要执行的代码；

然后，将TimerTask对象添加到Timer对象中；

最后，调用Timer对象的schedule方法来安排任务的执行。

此外，定时计划任务功能在Java中主要使用的就是Timer对象，它在内部使用多线程的方式进行处理，所以Timer对象一般又和多线程技术结合紧密。

定时器的使用：

import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;

public class ThreadDemo10 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("程序启动");
        // Timer 类就是 标准库的定时器
        Timer timer = new Timer();
        timer.schedule(new TimerTask() {   //TimerTask是timer.schedule方法的第一个参数，
                                // 其实就是Runnable，TimerTask就是一个实现了Runnable的抽象类。
                                // 也要通过run() 方法来描述一段代码。
            @Override
            public void run() {
               
                System.out.println("运行定时器任务3");
            }
        }, 3000);  // TimerTask 的第二个参数是，指定的时间，
                        //  意思就是，一段时间后，触发第一个参数描述的代码。

        
        // 多写两个，感受一下定时执行的任务
        timer.schedule(new TimerTask() {   
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("运行定时器任务2");
            }
        }, 2000);  



        timer.schedule(new TimerTask() {   

            @Override
            public void run() {
                System.out.println("运行定时器任务1");
            }
        }, 1000); 


    }
}

实现一个定时器

自己实现一个定时器

        分析：
             1，让被注册的任务，能够在指定时间被执行。
             2，一个定时器是可以注册 N 个任务的，N 个任务会按照最初约定的时间，按顺序执行。
若要实现 1，就需要在定时器内部，单独弄一个线程，让这个线程周期性的扫描，判断任务是否是到时间了。如果到时间了，就执行，没到时间，就再等等。并且 N 个任务也需要保存。

所以，定时器中的核心：
         1，有一个扫描线程，负责查看时间到没到，到了就执行相应任务
         2，还要有一个数据结构，来保存所有被注册的任务。
选用什么数据结构呢：每个任务都是带着“时间”的，所以我们这里选用优先级队列来存储。时间段小的，优先级就高，此时的扫描线程只用扫描队首元素即可，不必遍历整个队列。

此处的优先级队列是要在多线程环境下使用，要考虑线程安全问题。




import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;

//开始写 定时器
class MyTimer {
    //扫描线程
    private Thread t = null;

    // 有一个阻塞优先级队列， 来保存任务
    private PriorityBlockingQueue<MyTask> queue = new PriorityBlockingQueue<>();

    //扫描线程的具体实现
    public MyTimer() {
        t = new Thread(() -> {
            while(true) {

                try {
                    //取出队首元素，检查看看队首元素任务是否到时间了，
                    //如果时间没到，就把任务再塞回队列中
                    //如果时间到了，就执行任务。
                    MyTask myTask = queue.take();   // 将任务从 阻塞优先级队列中拿出来。
                    synchronized (this) {          // 这里使用 wait   主要是为了防止 忙等。
                        //  这个 synchronized 本来是放到 wait 那里，
                        //  放到这里是为了 保证 取出任务 和 wait  原子化， 防止在中间线程被调度走而且同时来了新任务。
                        long curTime = System.currentTimeMillis();  //获取当前的时间
                        if (curTime < myTask.getTime()) {
                            //说明当前的时间 还没到要执行任务的时间
                            queue.put(myTask);   // 再把任务 放回到阻塞优先级队列中。


                            //在 put 之后， 进行wait 等待
                            // 等待指定时间
                            this.wait(myTask.getTime() - curTime);  // wait 操作，要搭配 锁 来进行的

                        } else {
                            // 已经到了要执行任务的时间了， 可以开始执行任务了。
                            myTask.run();
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }


            }
        });
        t.start();
    }

    //提供一个 schedule() 方法，来注册任务 : 两个参数：
    //第一个参数：执行的 任务
    //第二个参数：执行任务前等待的时间。
    public void schedule(Runnable runnable, long after) {
        //第二个参数这里，需要换算为 ： 当前的时刻 + 需要等待的时间。
        MyTask task = new MyTask(runnable, System.currentTimeMillis() + after);
        queue.put(task);
        synchronized (this) {
            this.notify(); // 唤醒一下扫描线程
        }
    }


}


//任务的具体描述
class MyTask implements Comparable<MyTask> {
    //要执行的任务内容
    private Runnable runnable;
    // 任务在啥时候执行（使用 毫秒时间戳）
    private long time;

    public MyTask(Runnable runnable, long time) {
        this.runnable = runnable;
        this.time = time;
    }

    //获取当前任务的时间
    public long getTime() {
        return time;
    }

    //执行任务
    public void run() {
        runnable.run();
    }

    @Override
    public int compareTo(MyTask o) {
        // 返回   小于0， 大于0， 0  这三个数字
        // this 比 o 大， 返回  >0；
        return (int)(this.time - o.time);
    }
}





public class ThreadDemo11 {
    public static void main(String[] args) {
        MyTimer myTimer = new MyTimer();
        myTimer.schedule(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("任务1");
            }
        }, 1000);
        myTimer.schedule(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("任务2");
            }
        }, 2000);
    }
}

注意：

1，在创建一个新任务那里，在将任务创建好，放入堆中之后，有一步唤醒操作，这里的唤醒操作是唤醒扫描线程那里的等待。在扫描线程中，会将最优先的任务拿出来看看，如果还没到执行的时间，那就再将任务放回到优先级队列中，并且阻塞需要等待的时间。就是这里，如果在阻塞等待时间内，又来了一个优先级更高的任务（时间更短，比刚刚阻塞等待的时间还短），就需要扫描线程重新去优先级队列中拿出最优先的任务，重新计算阻塞等待的时间，然后阻塞等待。所以说，这里的这个唤醒机制很有必要。

2，在扫描线程中，synchronized（this）这行代码锁住的是实现MyTimer类的对象，同一时间，只能有一个线程可以访问到这个对象。

拓展：如果类中有多个静态方法，使用synchronized 修饰其中一个静态方法，那也同样是对整个类进行了加锁，同一时间，只能有一个线程可以访问到该类的任何静态方法。但是并没有对实现这个类的对象加锁。

什么是线程池

线程池：为了使多线程开发更高效，使多线程的使用更轻便，而产生。事先把需要使用的线程创建好，放到“池”中，后面需要使用的时候，直接从池里获取，用完后也还给 “池”，这两个动作要比创建/销毁更高效。

创建线程/销毁线程是交给操作系统内核完成的。而从池子里获取/还给池，是咱们自己用户代码就能实现的，不必交给内核操作。

什么是操作系统内核？

答：操作系统内核是操作系统最基本的部分，是一个提供硬件抽象层、磁盘及文件系统控制、多任务等功能的系统软件。它是为众多应用程序提供对计算机硬件的安全访问的一部分软件，这种访问是有限的，并且内核决定一个程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间。直接对硬件操作是非常复杂的，所以内核通常提供一种硬件抽象的方法来完成这些操作。

无论是商业的还是个人开发的操作系统内核，都被视为计算机系统的基石和黑盒。这意味着用户通常不需要知道内核内部是如何实现的，只需要使用该内核提供的服务即可。

我们不清楚内核的具体行为，也就意味着不可控，当我们将任务交给操作系统内核，何时等到系统的回应也是不可控的，因为系统内核不仅仅这一个任务。所以，相比于内核来说，用户态，执行程序的行为是可控的。

线程池的使用：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
// 使用标准库中的线程池
public class ThreadDemo12 {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建了一个固定线程数目的线程池
        // 这里的创建 使用了工厂模式
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        
        for(int i = 0; i <1000; i++) {
            int n = i;
            pool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {       // 这个 run() 方法 不是由主线程调用的，
                    // 而是由线程池中的线程调用。
                    System.out.println("hello " + n);
                }
            });
        }
    }
}

什么是工厂模式？

答：用一句话表示：使用普通方法，来代替构造方法创建对象。那为什么需要代替构造方法了？因为在某些情况下，我们可能要构造多个不同情况的对象，但是使用构造方法的重载又有一些局限性（重载方法名称相同，参数个数和类型不同），这种情况对我们实现一些代码时有些限制，于是就有了工厂模式。

普通方法，方法名字没有限制的，因此有多种方法构造，就可以直接使用不同的方法名即可，此时，方法的参数是否要区分就已经不重要了。

自己实现一个线程池：

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

class MyThreadPool {

    // 此处不涉及到时间， 此处只有任务，就直接使用 Runnable 即可
    // 阻塞队列中元素的类型为 Runnable 接口类型
    private BlockingQueue<Runnable> queue = new LinkedBlockingQueue<>();


    // n 表示线程的数量
    public  MyThreadPool(int n) {
        // 在这里创建线程
        // for循环来创建线程
        for(int i = 0; i < n; i++) {
           
            Thread t = new Thread(() -> {
                
               // while 循环来让线程不断地从队列中取任务。
                while(true) {
                    try {
                        Runnable runnable = queue.take();
                        runnable.run();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
            t.start();
        }
    }

    // 注册任务给线程池
    public void submit (Runnable runnable) {
        try {
            queue.put(runnable);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

}


public class ThreadDemo16 {
    public static void main(String[] args) {
        MyThreadPool pool = new MyThreadPool(10);
        for(int i = 0; i < 1000; i++) {
            int n = i;
            pool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("hello " + n);
                }
            });
        }
    }
}

ThreadPoolExecutor 类

ThreadPoolExecutor ：最原生的线程池

ThreadPoolExecutor是Java中线程池的核心实现类，它主要用来执行被提交的任务。通过ThreadPoolExecutor的execute()方法，用户可以提交Runnable任务进行执行；而通过submit()方法，用户不仅可以提交Runnable任务和Callable任务，还能获取异步的执行结果。

使用ThreadPoolExecutor的主要优点在于，当系统中频繁地创建线程时，如果线程过多，会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。而通过使用线程池，可以避免在处理短时间任务时频繁地创建与销毁线程所带来的代价。线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务，这既保证了内核的充分利用，又防止了过分调度。

什么是Runnable 任务？

在Java中，Runnable接口表示一个可以被线程执行的任务，它本身是一个抽象任务，只定义了要执行的操作，并没有具体的实现。这个接口里包含一个无返回值的方法run()。Runnable没有启动线程的能力，因此必须使用Thread类中的start方法才能够启动一个线程。Runnable的run()方法定义没有抛出任何异常，所以任何的Checked Exception都需要在run()实现方法中自行处理。

什么是 Callable 任务？

与Runnable相似的Callable接口也能被线程执行，但Callable接口的task能返回一个结果，也可以抛出Exception。两者都可以被ExecutorService执行，其中Callable的call()方法只能通过ExecutorService的submit(Callable task)方法来执行，并且会返回一个Future，是表示任务等待完成的对象。

获取异步的执行结果是什么意思？

异步执行结果是指在程序执行过程中，某个耗时较长的操作（通常是IO操作或者计算密集型任务）在执行时并不会阻止其它操作的进行，当这个耗时操作完成时，该操作的结果将会被后续的操作或者函数使用。异步编程是一种提高程序性能的方式，它允许同一时间发生（处理）多个事件。

例如，在Java中，当我们调用一个耗时较长的功能（方法）时，如网络请求或大规模计算，这个方法并不会阻塞程序的执行流程，程序会继续往下执行。当这个功能执行完毕时，比如数据接收完毕或者计算完成，程序能够获得执行完毕的消息或能够访问到执行的结果（如果有返回值或需要返回值时）。

另外，在更现代的编程模式中，如回调函数、Promises、Futures和CompletableFuture等，可以以非阻塞的方式获取任务执行结果，这种方式不仅提高了程序的响应速度和执行效率，而且使得代码逻辑更加清晰易懂。

ThreadPoolExecutor类的构造方法有7个参数，

分别是：

1. corePoolSize：线程池中会维护一个最小的线程数量，这些线程处理空闲状态，他们也不会被销毁，除非设置了allowCoreThreadTimeOut。这里的最小线程数量即是corePoolSize。

2. maximumPoolSize：线程池允许的最大线程数量。

3. keepAliveTime：当线程池中的线程数量超过corePoolSize时，多余的空闲线程的存活时间。

4. unit：keepAliveTime的时间单位。

5. workQueue：任务队列，用于存放待执行的任务。

6. threadFactory：创建新线程的工具类。

7. handler：当线程池中的线程数量超过maximumPoolSize且任务队列已满时，如何处理新提交的任务。

注解：

1，corePoolSize 核心线程数和 maximumPoolSize 最大线程数的区别：

核心线程数是指线程池中一直保持的线程数，哪怕它们处于空闲状态。这意味着即使线程池中没有任务，这些核心线程也会一直保持存在，以便于快速响应新的任务请求

最大线程数则是指线程池中允许的最大线程数，这包括了空闲线程和正在工作的线程。如果线程池的任务队列已满且所有的核心线程都在工作，那么此时如果有新任务提交，线程池会根据设置的策略决定是否创建新的线程

举两个例子：

1），在一家公司中，核心线程数就是正式员工，最大线程数就是正式员工 + 实习生；当所有的正式员工都在忙碌，并且还有新的任务下来，这时就会招收一些实习生来缓解压力。如果长时间任务比较少，实习生一直在摸鱼（线程空闲），那么就会销毁这个线程，但是呢核心线程数并不会被销毁（即使线程空闲）

2），假设你开了一家餐厅，这家餐厅的服务员就是线程，而顾客就是任务。核心线程数就好比是你固定的服务员人数，无论餐厅是否忙碌，这些服务员都会在岗位上待命，随时准备为顾客服务。最大线程数则好比是餐厅能够容纳的最大服务员数量，包括正在工作的和待命的。如果所有的服务员都在工作，并且还有新的顾客进来，那么就需要根据餐厅的规定来决定是否需要再雇佣新的服务员。例如，你的餐厅规定，当所有服务员都在工作时，如果有新的顾客进来，那么就不能再接待更多的顾客了，除非有服务员完成他们的工作并腾出位置。这就是最大线程数的作用。

2，keepAliveTime 简单解释就是实习生可以摸鱼的最大时间，超过这个线程就销毁。unit: keepAliveTime 是摸鱼时间的时间单位

3，handler 其实就是一个拒绝策略 ThreadPoolExecutor类的构造方法中，处理提交任务超过线程池最大容量的拒绝策略有四种：

1） AbortPolicy（默认）：直接抛出RejectedExecutionException异常，阻止系统正常运行。

2） DiscardOldestPolicy：丢弃等待队列中最旧的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程直到能够执行任务为止）。

3） DiscardPolicy：直接丢弃新来的任务，不抛出异常。

4） CallerRunsPolicy：让调用者自己运行任务。