Java并发编程-可利用的并行性
Executor 框架帮助指定执行策略，但如果要使用 Executor，必须将任务表述为一个 Runnable。在大多数服务器应用程序中都存在一个明显的任务边界：单个客户请求。有时候，任务边界并非是显而易见的，在很多桌面应用程序中，在单个客户请求中任可能存在可发掘的并行性。本文以 HTML 页面绘制为例，进行详细说明。
1. 串行的页面渲染器
最简单的方法就是对 HTML 文档进行串行处理。当遇到文本标签时，将其绘制到图像缓存中。当遇到图像引用时，先通过网络获取它，然后再将其绘制到图像缓存中。这种方式可能会用户感到烦恼，用户需要等待很长时间，直到现实所有文本。
另一种串行执行方法更好一些，它先绘制文本元素，同时为图像预留出矩形的占位空间，在处理完了第一遍文本后，程序再开始下载图像，并将它们绘制到相应的占位空间中。程序如下：
public class SingleThreadRenderer {
/**
* 页面渲染
* @param source 字符串
*/
void renderPage(CharSequence source) {
// 绘制文本元素
renderText(source);
// 下载图像
List<ImageData> imageData = new ArrayList<>();
for (ImageData imageInfo : scanForImageInfo(source)) {
imageData.add(imageInfo);
}
// 绘制图像
for (ImageData data : imageData) {
renderImage(data);
}
}
}图像下载过程的大部分时间都是在等待 IO 操作执行完成，在这期间 CPU 几乎不做任何工作。因此，这种串行执行方法没有充分地利用 CPU，使得用户在看到最终页面之前要等待过长的时间。通过将问题分解为多个独立的任务并发执行，能够获得更高的CPU利用率和响应灵敏度。
2. 携带结果的 Callable 与 Future
Executor框架使用Runnable作为其基本的任务表示形式。Runnable是一种有很大局限的抽象，虽然run能写人到日志文件或者将结果放入某个共享的数据结构，但它不能返回一个值或抛出一个受检查的异常。
许多任务实际上都是存在延迟的计算——执行数据库查询，从网络上获取资源，或者计算某个复杂的功能。对于这些任务，Callable 是一种更好的抽象:它认为主入口点（即 call）将返回–个值，并可能抛出一个异常。在 Executor 中包含了一些辅助方法能将其他类型的任务封装为一个 Callable。
Runnable 和 Callable 描述的都是抽象的计算任务。这些任务通常是有范围的，即都有一个明确的起始点，并且最终会结束。Executor 执行的任务有 4 个生命周期阶段：创建、提交、开始和完成。由于有些任务可能要执行很长的时间，因此通常希望能够取消这些任务。在 Executor 框架中，已提交但尚未开始的任务可以取消，但对于那些已经开始执行的任务，只有当它们能响应中断时，才能取消。
Callable 与 Future 接口
public interface Callable<V> {
V call() throws Exception;
}
public interface Future<V> {
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
boolean isCancelled();
boolean isDone();
V get() throws InterruptedException, ExecutionException, CancellationException;
V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, CancellationException, TimeoutException;
}get 方法的行为取决于任务的状态（尚未开始、正在运行、已完成）。如果任务已经完成，那么 get 会立即返回或者抛出一个 Exception，如果任务没有完成，那么 get 将该异常封装为 ExecutionException 并重新抛出，如果任务被取消，那么 get 抛出 CallcellationException。如果 get 抛出了 ExecutionException，那么可以通过 getCause 来获得被封装的初始异常。
可以通过许多种方法创建一个 Future 来描述任务。ExecutorService 中的所有 submit 方法都将返回一个Future，从而将一个 Runnable 或 Callable 提交给 Executor，并得到一个 Future 用来获得任务的执行结果或者取消任务。
3. 使用 Future 实现页面渲染
为了使页面渲染器实现更高的并发性，首先将渲染过程分解为两个任务，一个是渲染所有的文本，另一个是下载所有的图像。(因为其中一个任务是 CPU 密集型，而另一个任务是 I/O密集型，因此这种方法即使在单 CPU 系统上也能提升性能）
public class FutureRenderer {
private final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
void renderPage(CharSequence source) {
final List<ImageInfo> imageInfos = scanForImageInfo(source);
// 获取图像的任务
Callable<List<ImageData>> task = () -> {
List<ImageData> result = new ArrayList<>();
for (ImageInfo imageInfo : imageInfos) {
result.add(imageInfo.downloadImage());
}
return result;
};
// 提交任务，并获取结果
Future<List<ImageData>> future = executor.submit(task);
renderText(source);
try {
List<ImageData> imageData = future.get();
for (ImageData data : imageData) {
renderImage(data);
}
} catch (InterruptedException e) { // 程序中断异常
// 重新设置线程的中断状态
Thread.currentThread().interrupt();
// 由于不需要结果，因此取消任务
future.cancel(true);
} catch (ExecutionException e) { // 线程异常退出
// throw launderThrowable(e.getCause());
}
}
}Callable 和 Future 有助于表示这些协同任务之间的交互。在上述程序中，我们创建了一个 Callable 来下载所有的图像，并将提交到一个 ExecutionService。这将返回一个描述任务执行情况的 Future。当主任务需要图像时，他会等待 Future.get 的调用结果。如果幸运的话，当开始请求时，所有图像就已经下载完成了，即使没有，那图像下载任务也已经开始了。
FutureRenderer使得渲染文本任务与下载图像数据的任务并发地执行。当所有图像下载完后，会显示到页面上。这将提升用户体验，不仅使用户更快地看到结果，还有效利用了并行。
4. 任务并行化中存在的局限
FutureRenderer 使用了两个任务，其中一个负责渲染文本，另一个负责下载图像。如果渲染文本的速度远远高于下载图像的速度（可能性很大)，那么程序的最终性能与串行执行时的性能差别不大，而代码却变得更复杂了。当使用两个线程时，至多能将速度提高一倍。因此，虽然做了许多工作来并发执行异构任务以提高并发度，但从中获得的并发性却是十分有限的。
5. 使用 CompletionService 实现页面渲染器
如果向 Executor 提交了一组计算任务，并且希望在计算完成后获得结果，那么可以保留与每个任务关联的 Future，然后反复使用 get 方法，同时将参数 timeout 指定为 0，从而通过轮询来判断任务是否完成。这种方法虽然可行，但却有些繁琐。幸运的是，还有一种更好的方法：完成服务（CompletionService）。
CompletionService 将 Executor 和 BlockingQueue 的功能融合在一起。你可以将 Callable 任务提交给它来执行，然后使用类似于队列操作的 take 和 poll 等方法来获得已完成的结果，而这些结果会在完成时将被封装为Future。ExecutorCompletionService 实现了 CompletionService，并将计算部分委托给一个 Executor。
可以通过 CompletionService 从两个方面来提高页面渲染器的性能：缩短总运行时间以及提高响应性。为每一幅图像的下载都创建一个独立任务，并在线程池中执行它们，从而将串行的下载过程转换为并行的过程:这将减少下载所有图像的总时间。此外，通过从 CompletionService 中获取结果以及使每张图片在下载完成后立刻显示出来，能使用户获得一个更加动态和更高响应性的用户界面。
public class Renderer {
private final ExecutorService executor;
Renderer(ExecutorService executor) {
this.executor = executor;
}
void renderPage(CharSequence source) {
List<ImageInfo> info = scanForImageInfo(source);
CompletionService<ImageData> completionService =
new ExecutorCompletionService<>(executor);
for (final ImageInfo imageInfo : info) {
// 每获取一个图像创建一个任务
completionService.submit( () -> imageInfo.downloadImage() );
}
renderText(source);
try {
for (int t = 0; t < info.size(); t++) {
Future<ImageData> f = completionService.take();
ImageData imageData = f.get();
renderImage(imageData);
}
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
} catch (ExecutionException e) {
// throw launderThrowable(e.getCause());
}
}
}多个 ExecutorCompletionService可以共享一个 Executor，因此可以创建一个对于特定计算私有，又能共享一个公共 Executor 的 ExecutorCompletionService。因此，CompletionService 的作用就相当于一组计算的句柄，这与 Future 作为单个计算的句柄是非常类似的。通过记录提交给 CompletionService 的任务数量，并计算出已经获得的已完成结果的数量，即使使用一个共享的 Executor，也能知道已经获得了所有任务结果的时间。
