Java 多线程永动任务设计与实现

今天教大家撸一个 Java 的多线程永动任务。这个示例的原型是公司自研的多线程异步任务项目，我把里面涉及到多线程的代码抽离出来，然后进行一定的改造。

里面涉及的知识点非常多，特别适合有一定工作经验的同学学习，或者可以直接拿到项目中使用。

1. 功能说明

做这个多线程异步任务，主要是因为我们有很多永动的异步任务，什么是永动呢？就是任务跑起来后，需要一直跑下去。

比如消息 Push 任务，因为一直有消息过来，所以需要一直去消费 DB 中的未推送消息，就需要整一个 Push 的永动异步任务。

我们的需求其实不难，简单总结一下：

• 能同时执行多个永动的异步任务；
• 每个异步任务，支持开多个线程去消费这个任务的数据；
• 支持永动异步任务的优雅关闭，即关闭后，需要把所有的数据消费完毕后，再关闭。

完成上面的需求，需要注意几个点：

• 每个永动任务，可以开一个线程去执行；
• 每个子任务，因为需要支持并发，需要用线程池控制；
• 永动任务的关闭，需要通知子任务的并发线程，并支持永动任务和并发子任务的优雅关闭。

2. 多线程任务示例

2.1 线程池

对于子任务，需要支持并发，如果每个并发都开一个线程，用完就关闭，对资源消耗太大，所以引入线程池：

public class TaskProcessUtil {
    // 每个任务，都有自己单独的线程池
    private static Map<String, ExecutorService> executors =
        new ConcurrentHashMap<>();

    // 初始化一个线程池
    private static ExecutorService init(String poolName, int poolSize) {
        return new ThreadPoolExecutor(poolSize, poolSize, 0L,
            TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>(),
            new ThreadFactoryBuilder()
                .setNameFormat("Pool-" + poolName)
                .setDaemon(false)
                .build(),
            new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
    }

    // 获取线程池
    public static ExecutorService getOrInitExecutors(
        String poolName, int poolSize) {
        ExecutorService executorService = executors.get(poolName);
        if (null == executorService) {
            synchronized (TaskProcessUtil.class) {
                executorService = executors.get(poolName);
                if (null == executorService) {
                    executorService = init(poolName, poolSize);
                    executors.put(poolName, executorService);
                }
            }
        }
        return executorService;
    }

    // 回收线程资源
    public static void releaseExecutors(String poolName) {
        ExecutorService executorService = executors.remove(poolName);
        if (executorService != null) {
            executorService.shutdown();
        }
    }
}

这是一个线程池的工具类。这里初始化线程池和回收线程资源很简单，我们主要讨论获取线程池。

获取线程池可能会存在并发情况，所以需要加一个 synchronized 锁。锁住后，需要对 executorService 进行二次判空校验。

2.2 单个任务

为了更好讲解单个任务的实现方式，我们的任务主要就是把 Cat 的数据打印出来，Cat 定义如下：

@Data
@Service
public class Cat {
    private String catName;
    public Cat setCatName(String name) {
        this.catName = name;
        return this;
    }
}

单个任务主要包括以下功能：

• 获取永动任务数据：这里一般都是扫描 DB，我直接就简单用 queryData() 代替；
• 多线程执行任务：需要把数据拆分成 4 份，然后分别由多线程并发执行，这里可以通过线程池支持；
• 永动任务优雅停机：当外面通知任务需要停机，需要执行完剩余任务数据，并回收线程资源，退出任务；
• 永动执行：如果未收到停机命令，任务需要一直执行下去。

直接看代码：

public class ChildTask {
    private final int POOL_SIZE = 3; // 线程池大小
    private final int SPLIT_SIZE = 4; // 数据拆分大小
    private String taskName;

    // 接收jvm关闭信号，实现优雅停机
    protected volatile boolean terminal = false;

    public ChildTask(String taskName) {
        this.taskName = taskName;
    }

    // 程序执行入口
    public void doExecute() {
        int i = 0;
        while (true) {
            System.out.println(taskName + ":Cycle-" + i + "-Begin");
            // 获取数据
            List<Cat> datas = queryData();
            // 处理数据
            taskExecute(datas);
            System.out.println(taskName + ":Cycle-" + i + "-End");
            if (terminal) {
                // 只有应用关闭，才会走到这里，用于实现优雅的下线
                break;
            }
            i++;
        }
        // 回收线程池资源
        TaskProcessUtil.releaseExecutors(taskName);
    }

    // 优雅停机
    public void terminal() {
        // 关机
        terminal = true;
        System.out.println(taskName + " shut down");
    }

    // 处理数据
    private void doProcessData(List<Cat> datas, CountDownLatch latch) {
        try {
            for (Cat cat : datas) {
                System.out.println(taskName + ":" + cat.toString()
                    + ",ThreadName:" + Thread.currentThread().getName());
                Thread.sleep(1000L);
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getStackTrace());
        } finally {
            if (latch != null) {
                latch.countDown();
            }
        }
    }

    // 处理单个任务数据
    private void taskExecute(List<Cat> sourceDatas) {
        if (CollectionUtils.isEmpty(sourceDatas)) {
            return;
        }
        // 将数据拆成4份
        List<List<Cat>> splitDatas = Lists.partition(sourceDatas, SPLIT_SIZE);
        final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(splitDatas.size());

        // 并发处理拆分的数据，共用一个线程池
        for (final List<Cat> datas : splitDatas) {
            ExecutorService executorService =
                TaskProcessUtil.getOrInitExecutors(taskName, POOL_SIZE);
            executorService.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    doProcessData(datas, latch);
                }
            });
        }

        try {
            latch.await();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getStackTrace());
        }
    }

    // 获取永动任务数据
    private List<Cat> queryData() {
        List<Cat> datas = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            datas.add(new Cat().setCatName("罗小黑" + i));
        }
        return datas;
    }
}

简单解释一下：

• queryData：用于获取数据，实际应用中其实是需要把 queryData 定为抽象方法，然后由各个任务实现自己的方法；
• doProcessData：数据处理逻辑，实际应用中其实是需要把 doProcessData 定为抽象方法，然后由各个任务实现自己的方法；
• taskExecute：将数据拆分成 4 份，获取该任务的线程池，并交给线程池并发执行，然后通过 latch.await() 阻塞。当这 4 份数据都执行成功后，阻塞结束，该方法才返回；
• terminal：仅用于接受停机命令，这里该变量定义为 volatile，所以多线程内存可见；
• doExecute：程序执行入口，封装了每个任务执行的流程，当 terminal=true 时，先执行完任务数据，然后回收线程池，最后退出。

2.3 任务入口

直接上代码：

public class LoopTask {
    private List<ChildTask> childTasks;
    public void initLoopTask() {
        childTasks = new ArrayList();
        childTasks.add(new ChildTask("childTask1"));
        childTasks.add(new ChildTask("childTask2"));
        for (final ChildTask childTask : childTasks) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    childTask.doExecute();
                }
            }).start();
        }
    }
    public void shutdownLoopTask() {
        if (!CollectionUtils.isEmpty(childTasks)) {
            for (ChildTask childTask : childTasks) {
                childTask.terminal();
            }
        }
    }
    public static void main(String args[]) throws Exception {
        LoopTask loopTask = new LoopTask();
        loopTask.initLoopTask();
        Thread.sleep(5000L);
        loopTask.shutdownLoopTask();
    }
}

每个任务都开一个单独的 Thread。这里我初始化了 2 个永动任务，分别为 childTask1 和 childTask2，然后分别执行，后面 Sleep 了 5 秒后，再关闭任务，我们可以看看是否可以按照我们的预期优雅退出。

2.4 结果分析

执行结果如下：

childTask1:Cycle-0-Begin
childTask2:Cycle-0-Begin
childTask1:Cat(catName=罗小黑0),ThreadName:Pool-childTask1
childTask1:Cat(catName=罗小黑4),ThreadName:Pool-childTask1
childTask2:Cat(catName=罗小黑4),ThreadName:Pool-childTask2
childTask2:Cat(catName=罗小黑0),ThreadName:Pool-childTask2
childTask1:Cat(catName=罗小黑1),ThreadName:Pool-childTask1
childTask2:Cat(catName=罗小黑1),ThreadName:Pool-childTask2
childTask2:Cat(catName=罗小黑2),ThreadName:Pool-childTask2
childTask1:Cat(catName=罗小黑2),ThreadName:Pool-childTask1
childTask2:Cat(catName=罗小黑3),ThreadName:Pool-childTask2
childTask1:Cat(catName=罗小黑3),ThreadName:Pool-childTask1
childTask2:Cycle-0-End
childTask2:Cycle-1-Begin
childTask1:Cycle-0-End
childTask1:Cycle-1-Begin
childTask2:Cat(catName=罗小黑0),ThreadName:Pool-childTask2
childTask2:Cat(catName=罗小黑4),ThreadName:Pool-childTask2
childTask1:Cat(catName=罗小黑4),ThreadName:Pool-childTask1
childTask1:Cat(catName=罗小黑0),ThreadName:Pool-childTask1
childTask1 shut down
childTask2 shut down
childTask2:Cat(catName=罗小黑1),ThreadName:Pool-childTask2
childTask1:Cat(catName=罗小黑1),ThreadName:Pool-childTask1
childTask1:Cat(catName=罗小黑2),ThreadName:Pool-childTask1
childTask2:Cat(catName=罗小黑2),ThreadName:Pool-childTask2
childTask1:Cat(catName=罗小黑3),ThreadName:Pool-childTask1
childTask2:Cat(catName=罗小黑3),ThreadName:Pool-childTask2
childTask1:Cycle-1-End
childTask2:Cycle-1-End

输出数据：

• “Pool-childTask” 是线程池名称；
• “childTask” 是任务名称；
• “Cat(catName=罗小黑)” 是执行的结果；
• “childTask shut down” 是关闭标记；
• “childTask:Cycle-X-Begin” 和“childTask:Cycle-X-End” 是每一轮循环的开始和结束标记。

我们分析一下执行结果：

• childTask1 和 childTask2 分别执行，在第一轮循环中都正常输出了 5 条罗小黑数据；
• 第二轮执行过程中，我启动了关闭指令，这次第二轮执行没有直接停止，而是先执行完任务中的数据，再执行退出，所以完全符合我们的优雅退出结论。

2.5 源码地址

GitHub 地址：

https://github.com/lml200701158/java-study/tree/master/src/main/java/com/java/parallel/pool/ofc

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