源码 | 批量执行invokeAll() && 多选一invokeAny()

ExecutorService中定义了两个批量执行任务的方法,invokeAll()和invokeAny(),在批量执行或多选一的业务场景中非常方便。invokeAll()在所有任务都完成(包括成功/被中断/超时)后才会返回,invokeAny()在任意一个任务成功(或ExecutorService被中断/超时)后就会返回。

AbstractExecutorService实现了这两个方法,本文将先后分析invokeAll()和invokeAny()两个方法的源码实现。

invokeAll()

invokeAll()在所有任务都完成(包括成功/被中断/超时)后才会返回。有不限时和限时版本,从更简单的不限时版入手。

不限时版

public <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
    throws InterruptedException {
    if (tasks == null)
        throw new NullPointerException();
    ArrayList<Future<T>> futures = new ArrayList<Future<T>>(tasks.size());
    boolean done = false;
    try {
        for (Callable<T> t : tasks) {
            RunnableFuture<T> f = newTaskFor(t);
            futures.add(f);
            execute(f);
        }
        for (int i = 0, size = futures.size(); i < size; i++) {
            Future<T> f = futures.get(i);
            if (!f.isDone()) {
                try {
                    f.get(); // 无所谓先执行哪个任务的get()方法
                } catch (CancellationException ignore) {
                } catch (ExecutionException ignore) {
                }
            }
        }
        done = true;
        return futures;
    } finally {
        if (!done)
            for (int i = 0, size = futures.size(); i < size; i++)
                futures.get(i).cancel(true);
    }
}

8-12行,先将所有任务都提交到线程池(当然,任何ExecutorService均可)中。

严格来说,不是“提交”,而是“执行”。执行可能是同步或异步的,取决于线程池的策略。不过由于我们仅讨论异步情况(同步同理),用“提交”一词更容易理解。下同。
13-22行,for循环的目的是阻塞调用invokeAll的线程,直到所有任务都执行完毕。当然我们也可以使用其他方式实现阻塞,不过这种方式是最简单的:

  • 15行如果f.isDone()返回true,则当前任务已结束,继续检查下一个任务;否则,调用f.get()让线程阻塞,直到当前任务结束。
  • 17行无所谓先执行哪一个FutureTask实例的get()方法。由于所有任务并发执行,总体阻塞时间取决于于是耗时最长的任务,从而实现了invodeAll的阻塞调用。
  • 18-20行没有捕获InterruptedException。如果有任务被中断,主线程将抛出InterruptedException,以响应中断。

最后,为防止在全部任务结束之前过早退出,23行、25-29行相配合,如果done不为true(未执行到40行就退出了)则取消全部任务。

限时版

public <T> List<Future<T>> invokeAll(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                                     long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException {
    if (tasks == null)
        throw new NullPointerException();
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    ArrayList<Future<T>> futures = new ArrayList<Future<T>>(tasks.size());
    boolean done = false;
    try {
        for (Callable<T> t : tasks)
            futures.add(newTaskFor(t));
        final long deadline = System.nanoTime() + nanos;
        final int size = futures.size();
        // Interleave time checks and calls to execute in case
        // executor doesn't have any/much parallelism.
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            execute((Runnable)futures.get(i));
            nanos = deadline - System.nanoTime();
            if (nanos <= 0L) // 及时检查是否超时
                return futures;
        }
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            Future<T> f = futures.get(i);
            if (!f.isDone()) {
                if (nanos <= 0L) // 及时检查是否超时
                    return futures;
                try {
                    f.get(nanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
                } catch (CancellationException ignore) {
                } catch (ExecutionException ignore) {
                } catch (TimeoutException toe) {
                    return futures;
                }
                nanos = deadline - System.nanoTime();
            }
        }
        done = true;
        return futures;
    } finally {
        if (!done)
            for (int i = 0, size = futures.size(); i < size; i++)
                futures.get(i).cancel(true);
    }
}

10-11行,先将所有任务封装为FutureTask,添加到futures列表中。

18-23行,每提交一个任务,就立刻判断是否超时。这样的话,如果在任务全部提交到线程池中之前,就已经达到了超时时间,则能够尽快检查出超时,结束提交并退出。

对于限时版,将封装任务与提交任务拆开是必要的。
28-29行,每次在调用限时版f.get()进入阻塞状态之前,先检查是否超时。这里也是希望超时后,能够尽快发现并退出。

其他同不限时版。

invokeAny()

invokeAny()在任意一个任务成功(或ExecutorService被中断/超时)后就会返回。也分为不限时和限时版本,但为了进一步保障性能,invokeAny()的实现思路与invokeAll()略有不同。

public <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks)
    throws InterruptedException, ExecutionException {
    try {
        return doInvokeAny(tasks, false, 0);
    } catch (TimeoutException cannotHappen) {
        assert false;
        return null;
    }
}
public <T> T invokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                       long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
    return doInvokeAny(tasks, true, unit.toNanos(timeout));
}

内部调用了doInvokeAny()。

学习5-8行的写法,代码自解释。

doInvokeAny()

简化如下:

private <T> T doInvokeAny(Collection<? extends Callable<T>> tasks,
                          boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
...
    ArrayList<Future<T>> futures = new ArrayList<Future<T>>(ntasks);
    ExecutorCompletionService<T> ecs =
        new ExecutorCompletionService<T>(this);
...
    try {
        ExecutionException ee = null;
        final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
        Iterator<? extends Callable<T>> it = tasks.iterator();
        futures.add(ecs.submit(it.next()));
        --ntasks;
        int active = 1;
        for (;;) {
            Future<T> f = ecs.poll();
            if (f == null) {
                if (ntasks > 0) {
                    --ntasks;
                    futures.add(ecs.submit(it.next()));
                    ++active;
                }
                else if (active == 0)
                    break;
                else if (timed) {
                    f = ecs.poll(nanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
                    if (f == null)
                        throw new TimeoutException();
                    nanos = deadline - System.nanoTime();
                }
                else
                    f = ecs.take();
            }
            if (f != null) {
                --active;
                try {
                    return f.get();
                } catch (...) {
                    ee = ...;
                }
            }
        }
...
        throw ee;
    } finally {
        for (int i = 0, size = futures.size(); i < size; i++)
            futures.get(i).cancel(true);
    }
}

要点:

  • ntasks维护未提交的任务数,active维护已提交未结束的任务数。
  • 内部使用ExecutorCompletionService维护已完成的任务。
  • 如果没有任务成功结束,则返回捕获的最后一个异常。
  • 第一个任务是必将被执行的,其他任务按照迭代器顺序增量提交。

14行先向线程池提交一个任务(迭代器第一个),ntasks–,active=1:

futures.add(ecs.submit(it.next()));
--ntasks;
int active = 1;

这里是真“提交”了,不是“执行”。
然后18-45行循环检查是否有任务成功结束。

首先,19行通过及时返回的poll()方法,尝试取出一个已完成的任务:

Future<T> f = ecs.poll();

根据f的结果,分成两种情况讨论。

ExecutorCompletionService默认使用LinkedBlockingQueue作为任务队列。对LinkedBlockingQueue不熟悉的可参照源码|并发一枝花之BlockingQueue

case1:如果有任务完成

如果有任务完成,则f不为null,进入40-49行,active–,并尝试取出任务结果:

if (f != null) {
    --active;
    try {
        return f.get();
    } catch (...) {
        ee = ...;
    }
}
  • 如果能够成功取出,即当前任务已成功结束,直接返回。
  • 如果抛出异常,则当前任务异常结束,使用ee记录异常。

显然,如果已完成的任务是异常结束的,invokeAny()不会退出,而是继续查看其它任务。

FutureTask#get()的用法参照源码|使用FutureTask的正确姿势

case2:如果没有任务完成

如果没有任务完成,则f为null,进入23-39行,判断是继续提交任务、退出还是等待任务结果:

if (f == null) {
    if (ntasks > 0) { // check1
        --ntasks;
        futures.add(ecs.submit(it.next()));
        ++active;
    }
    else if (active == 0) // check2
        break;
    else if (timed) { // check3
        f = ecs.poll(nanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
        if (f == null)
            throw new TimeoutException();
        nanos = deadline - System.nanoTime();
    }
    else // check4
        f = ecs.take();
}
  • check1:如果还有剩余任务(ntasks > 0),那就继续提交,同时ntasks–,active++。
  • check2:如果没有剩余任务了,且也没有已提交未结束的任务(active == 0),则表示全部任务均已执行结束,但没有一个任务是成功的,可以退出循环。退出循环后,将在47行抛出ee记录的最后一个异常。
  • check3:如果可以没有剩余任务,但还有已提交未结束的任务,且开启了超时机制,则尝试使用超时版poll()等待任务完成。但是,如果这种情况下超时了,就表示整个invokeAny()方法超时了,所以poll()返回null的时候,要主动抛出TimeoutException。
  • check4:如果可以没有剩余任务,但还有已提交未结束的任务,且未开启超时机制,则使用无限阻塞的take()方法,等待任务完成。

这种一堆if-else的代码很丑。可修改如下:

>if (f == null) { // check1
>    if (ntasks > 0) {
>         --ntasks;
>         futures.add(ecs.submit(it.next()));
>         ++active;
>         continue;
>     }
>     if (active == 0) { // check2
>         assert ntasks == 0; // 防止自己改吧改吧把它这句判断挪到了前面
>         break;
>     }
>    if (timed) { // check3
>        f = ecs.poll(nanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
>        if (f == null) {
>            throw new TimeoutException();
>        }
>        nanos = deadline - System.nanoTime();
>    } else { // check4
>        f = ecs.take();
>    }
>}
>

修改依据:

  • check1、check2、check3/check4没有并列的判断关系
  • check3、check4有并列的判断关系,非此即彼
  • 结构更清爽


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