11.4 Der Ausführer (Executor) kommt

Damit der Thread ein Runnable ausführt, muss immer ein neues Thread-Objekt aufgebaut werden, denn start() ist nur einmal auf einem Thread-Objekt erlaubt. Würde der Thread während seines Lebenszyklus eine Reihe unterschiedlicher Runnable abarbeiten wollen, ist eine andere Umsetzung nötig. Das Gleiche gilt, wenn das Runnable nicht sofort, sondern später (Ostern) oder wiederholt (immer Weihnachten) ausgeführt werden soll.

11.4.1 Die Schnittstelle Executor

Seit Java 5 gibt es eine Abstraktion für Klassen, die Befehle über Runnable ausführen. Die Schnittstelle Executor schreibt eine Methode vor:

interface java.util.concurrent.Executor

• void execute( Runnable command )
  Wird später von Klassen implementiert, die ein Runnable abarbeiten können.

Jeder, der nun Befehle über Runnable abarbeitet, ist Executor.

Konkrete Executoren

Von dieser Schnittstelle gibt es bisher zwei wichtige Implementierungen:

• ThreadPoolExecutor. Die Klasse baut eine Sammlung von Threads auf, den Thread-Pool. Ausführungsanfragen werden von den freien Threads übernommen.

• ScheduledThreadPoolExecutor. Eine Erweiterung von ThreadPoolExecutor um die Fähigkeit, zu bestimmen Zeiten oder mit bestimmten Wiederholungen Befehle abzuarbeiten.

Die beiden Klassen haben nicht ganz so triviale Konstruktoren, und eine Utility-Klasse vereinfacht den Aufbau dieser speziellen Executor-Objekte.

class java.util.concurrent.Executors

• static ExecutorService newCachedThreadPool()
  Liefert einen Thread-Pool mit wachsender Größe.

• static ExecutorService newFixedThreadPool( int nThreads )
  Liefert einen Thread-Pool mit maximal nThreads.

• static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor()

• static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool( int corePoolSize )
  Gibt spezielle Executor-Objekte zurück, um Wiederholungen festzulegen.

ExecutorService ist eine Schnittstelle, die Executor erweitert. Unter anderem sind hier Operationen zu finden, die die Ausführer herunterfahren. Im Falle von Thread-Pools ist das nützlich, da die Threads ja sonst nicht beendet würden, weil sie auf neue Aufgaben warten.

11.4.2 Die Thread-Pools

Eine wichtige statische Funktion der Klasse Executors ist newCachedThreadPool(). Das Ergebnis ist ein ExecutorService-Objekt, eine Implementierung von Executor mit der Methode execute(Runnable).

Listing 11.10 com/tutego/insel/thread/concurrent/ThreadPoolDemo.java, main()

Runnable r1 = new Runnable() { 
  @Override public void run() { 
    System.out.println( "A1 " + Thread.currentThread() ); 
    System.out.println( "A2 " + Thread.currentThread() ); 
  } 
}; 
 
Runnable r2 = new Runnable() { 
  @Override public void run() { 
    System.out.println( "B1 " + Thread.currentThread() ); 
    System.out.println( "B2 " + Thread.currentThread() ); 
  } 
};

Jetzt lässt sich der Thread-Pool als ExecutorService beziehen und lassen sich die beiden Befehlsobjekte als Runnable über execute() ausführen:

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool(); 
 
executor.execute( r1 ); 
executor.execute( r2 ); 
 
Thread.sleep( 500 ); 
 
executor.execute( r1 ); 
executor.execute( r2 ); 
 
executor.shutdown();

Die Ausgabe zeigt sehr schön die Wiederverwendung der Threads:

A1 Thread[pool-1-thread-1,5,main] 
A2 Thread[pool-1-thread-1,5,main] 
B1 Thread[pool-1-thread-2,5,main] 
B2 Thread[pool-1-thread-2,5,main] 
B1 Thread[pool-1-thread-1,5,main] 
B2 Thread[pool-1-thread-1,5,main] 
A1 Thread[pool-1-thread-2,5,main] 
A2 Thread[pool-1-thread-2,5,main]

Die toString()-Methode von Thread ist so implementiert, dass zunächst der Name der Threads auftaucht, den die Pool-Implementierung gesetzt hat, dann die Priorität und der Name des Threads, der den neuen Thread gestartet hat. Am neuen Namen ist abzulesen, dass hier zwei Threads von einem Thread-Pool 1 verwendet werden: thread-1 und thread-2. Nach dem Ausführen der beiden Aufträge und der kleinen Warterei sind die Threads fertig und für neue Jobs bereit, sodass A1 und A2 beim zweiten Mal mit den wieder freien Threads abgearbeitet werden.

Interessant sind die folgenden drei Operationen zur Steuerung des Pool-Endes:

interface java.util.concurrent.ExecutorService 
extends Executor

• void shutdown()
  Fährt den Thread-Pool herunter. Laufende Threads werden nicht abgebrochen, aber neue Anfragen werden nicht angenommen.

• boolean isShutdown()
  Wurde der Executor schon heruntergefahren?

• List<Runnable> shutdownNow()
  Gerade ausführende Befehle werden zum Stoppen angeregt. Die Rückgabe ist eine Liste der zu beendenden Kommandos.

11.4.3 Threads mit Rückgabe über Callable

Der nebenläufige Thread kann nur über Umwege dem aufrufenden Programm Ergebnisse mitteilen. In einer eigenen Klasse, die Runnable erweitert, lässt sich im Konstruktor zum Beispiel eine Datenstruktur übergeben, in die der Thread das Ergebnis hineinlegt. Die Datenstruktur kann dann vom Aufrufer auf Änderungen untersucht werden.

Seit Java 5 gibt es neben Runnable die Schnittstelle Callable, die dem Aufrufer eine Rückgabe übermittelt:

interface java.util.concurrent.Callable<V>

• V call()
  Diese Methode enthält den parallel auszuführenden Programmcode und liefert eine Rückgabe vom Typ V.

Felder sortieren über Callable

Wir wollen nun ein Beispiel angeben, das ein Feld sortiert. Das Sortieren soll ein Callable im Hintergrund übernehmen. Ist die Operation beendet, soll der Verweis auf das Feld zurückgegeben werden. Das Sortieren erledigt wie üblich Arrays.sort().

Listing 11.11 com/tutego/insel/thread/concurrent/CallableDemo.java, SorterCallable

class SorterCallable implements Callable<byte[]> 
{ 
  private final byte[] b; 
 
  SorterCallable( byte[] b ) 
  { 
    this.b = b; 
  } 
 
  @Override public byte[] call() 
  { 
    Arrays.sort( b ); 
 
    return b; 
  } 
}

Natürlich bringt es wenig, das Callable-Objekt aufzubauen und selbst call() aufzurufen, denn ein Thread soll die Aufgabe im Hintergrund erledigen. Dazu ist jedoch nicht die Klasse Thread selbst zu verwenden, sondern ein ExecutorService, den wir etwa über Executors.newCachedThreadPool() bekommen.

Listing 11.12 com/tutego/insel/thread/concurrent/CallableDemo.java, main()

byte[] b = new byte[ 4000000 ]; 
new Random().nextBytes( b ); 
Callable<byte[]> c = new SorterCallable( b ); 
ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

Der ExecutorService bietet eine submit()-Methode, die das Callable annimmt und einen Thread für die Abarbeitung aussucht. Weil das Ergebnis asynchron ankommt, liefert submit() ein Future-Objekt zurück, über das wir herausfinden können, ob das Ergebnis schon da ist oder ob wir noch warten müssen.

Future<byte[]> result = executor.submit( c );

Nach dieser Anweisung ist die beste Zeit, noch andere parallele Aufgaben anzustoßen, um später die Ergebnisse einzusammeln.

Unsere Variable result verrät mit isDone(), ob die Aufgabe schon erledigt ist. Rufen wir get() auf, blockiert die Methode so lange, bis das Ergebnis da ist.

byte[] bs = result.get(); 
System.out.printf( "%d, %d, %d%n", bs[0], bs[1], bs[bs.length-1] ); // –128,  
                                                                    // –128, 127

Da das Feld sortiert ist, und der Wertebereich eines Bytes –128 bis +127 ist, ist vermutlich das kleinste Element der Zufallszahlen –128 und das größte 127.

Nicht immer ist das Blockieren erwünscht. Für diesen Fall ermöglicht die überladene Methode von get() eine Parametrisierung mit einer Wartezeit und Zeiteinheit:

byte[] bs = result.get( 2, TimeUnit.SECONDS );

Ist das Ergebnis nicht innerhalb von 2 Sekunden verfügbar, löst die Methode eine Exception aus, die, auf dem Bildschirm ausgegeben, so aussehen wird:

java.util.concurrent.TimeoutException 
  at java.util.concurrent.FutureTask$Sync.innerGet(FutureTask.java:228) 
  at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:91) 
  at com.tutego.insel.thread.concurrent.CallableDemo.main(CallableDemo.java:27)

Ein Runnable mit Zukunft oder als Callable

Aus Gründen der Symmetrie gibt es neben submit(Callable) noch zwei submit()-Methoden, die ebenfalls ein Runnable annehmen. Zusammen ergeben sich:

interface java.util.concurrent.ExecutorService 
extends Executor

• <T> Future<T> submit( Callable<T> task )
  Der ExecutorService soll die Aufgabe abarbeiten und Zugriff auf das Ergebnis über die Rückgabe geben.

• Future<?> submit( Runnable task )
  Der ExecutorService arbeitet das Runnable ab und ermöglicht es, über das Future-Objekt zu erfragen, ob die Ausgabe schon abgearbeitet wurde oder nicht. get() liefert am Ende null.

• <T> Future<T> submit( Runnable task, T result )
  Wie submit(task), nur: Die get()-Anfrage über Future liefert result.

Zum Umbau eines Runnable in ein Callable gibt es noch einige Hilfsfunktionen in der Klasse Executors. Dazu zählt die statische Methode callable(Runnable task), die ein Callable<Object> liefert und callable(Runnable task, T result), das ein Callable<T> zurückgibt.

11.4.4 Mehrere Callable abarbeiten

Die Methode submit()vom ExecutorService nimmt genau ein Callable an und führt es aus. Doch die Klasse kann auch mehrere Callable zur gleichen Zeit ausführen:

interface java.util.concurrent.ExecutorService 
extends Executor

• <T> List<Future<T>> invokeAll( Collection<Callable<T>> tasks )
  Führt alle Ausgaben aus. Liefert eine Liste von Future-Objekten, die die Ergebnisse repräsentieren.

• <T> List<Future<T>> invokeAll( Collection<Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit ) Führt alle Ausgaben aus und würde die Ergebnisse als Liste von Future-Objekten liefern, wenn die Zeit timeout in der gegebenen Zeiteinheit nicht überschritten wird.

• <T> T invokeAny( Collection<Callable<T>> tasks )
  Führt alle Aufgaben aus, aber liefert das Ergebnis des Threads, der als Erster fertig ist. Ein get() wird also nie warten müssen.

• <T> T invokeAny( Collection<Callable<T>> tasks, long timeout, TimeUnit unit )
  Führt alle Aufgaben aus, gilt aber nur eine beschränkte Zeit. Das erste Ergebnis eines Callable-Objekts, das in der Zeit fertig wird, gibt invokeAny() zurück.

11.4.5 Mit ScheduledExecutorService wiederholende Ausgaben und Zeitsteuerungen

Die Klasse ScheduledThreadPoolExecutor ist eine weitere Klasse neben ThreadPoolExecutor, die die Schnittstelle Executor und ExecutorService implementiert. Die wichtige Schnittstelle, die diese Klasse außerdem implementiert, ist aber ScheduledExecutorService – sie schreibt scheduleXXX()-Operationen vor, um ein Runnable oder Callable zu bestimmten Zeiten und Wiederholungen auszuführen. (Zwar gibt es mit dem java.util.Timer etwas Ähnliches, doch der ScheduledThreadPoolExecutor nutzt Threads aus dem Pool.)

Das folgende Beispiel führt nach einer Startzeit von einer Sekunde alle zwei Sekunden eine Ausgabe aus.

Listing 11.13 com/tutego/insel/thread/concurrent/ScheduledExecutorServiceDemo.java. main()

ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newScheduledThreadPool( 1 ); 
scheduler.scheduleAtFixedRate( 
    new Runnable() { 
      @Override public void run() { 
        System.out.println( "Tata" ); 
      } 
    }, 
    1 /* Startverzögerung */, 
    2 /* Dauer */, 
    TimeUnit.SECONDS );

Nach einer Sekunde Startverzögerung bekommen wir jede zweite Sekunde ein »Tata«.

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