面试突击35:如何判断线程池已经执行完所有任务了?

很多场景下,我们需要等待线程池的所有任务都执行完,然后再进行下一步操作。对于线程 Thread 来说,很好实现,加一个 join 方法就解决了,然而对于线程池的判断就比较麻烦了。

我们本文提供 4 种判断线程池任务是否执行完的方法:

  1. 使用 isTerminated 方法判断。
  2. 使用 getCompletedTaskCount 方法判断。
  3. 使用 CountDownLatch 判断。
  4. 使用 CyclicBarrier 判断。

接下来我们一个一个来看。

不判断的问题

如果不对线程池是否已经执行完做判断,就会出现以下问题,如下代码所示:

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ThreadPoolCompleted {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池
        ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(10, 20,
                0, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>(1024));
        // 添加任务
        addTask(threadPool);
				// 打印结果
        System.out.println("线程池任务执行完成!");
    }
  
    /**
     * 给线程池添加任务
     */
    private static void addTask(ThreadPoolExecutor threadPool) {
        // 任务总数
        final int taskCount = 5;
        // 添加任务
        for (int i = 0; i < taskCount; i++) {
            final int finalI = i;
            threadPool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        // 随机休眠 0-4s
                        int sleepTime = new Random().nextInt(5);
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(sleepTime);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(String.format("任务%d执行完成", finalI));
                }
            });
        }
    }
}

以上程序的执行结果如下:

image.png


从上述执行结果可以看出,程序先打印了“线程池任务执行完成!”,然后还在陆续的执行线程池的任务,这种执行顺序混乱的结果,并不是我们期望的结果。我们想要的结果是等所有任务都执行完之后,再打印“线程池任务执行完成!”的信息。

产生以上问题的原因是因为主线程 main,和线程池是并发执行的,所以当线程池还没执行完,main 线程的打印结果代码就已经执行了。想要解决这个问题,就需要在打印结果之前,先判断线程池的任务是否已经全部执行完,如果没有执行完就等待任务执行完再执行打印结果。

方法1:isTerminated

我们可以利用线程池的终止状态(TERMINATED)来判断线程池的任务是否已经全部执行完,但想要线程池的状态发生改变,我们就需要调用线程池的 shutdown 方法,不然线程池一直会处于 RUNNING 运行状态,那就没办法使用终止状态来判断任务是否已经全部执行完了,它的实现代码如下:

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 线程池任务执行完成判断
 */
public class ThreadPoolCompleted {
    public static void main(String[] args) {
        // 1.创建线程池
        ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(10, 20,
                0, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>(1024));
        // 2.添加任务
        addTask(threadPool);
        // 3.判断线程池是否执行完
        isCompleted(threadPool); // 【核心调用方法】
        // 4.线程池执行完
        System.out.println();
        System.out.println("线程池任务执行完成!");
    }

    /**
     * 方法1:isTerminated 实现方式
     * 判断线程池的所有任务是否执行完
     */
    private static void isCompleted(ThreadPoolExecutor threadPool) {
        threadPool.shutdown();
        while (!threadPool.isTerminated()) { // 如果没有执行完就一直循环
        }
    }

    /**
     * 给线程池添加任务
     */
    private static void addTask(ThreadPoolExecutor threadPool) {
        // 任务总数
        final int taskCount = 5;
        // 添加任务
        for (int i = 0; i < taskCount; i++) {
            final int finalI = i;
            threadPool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        // 随机休眠 0-4s
                        int sleepTime = new Random().nextInt(5);
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(sleepTime);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(String.format("任务%d执行完成", finalI));
                }
            });
        }
    }
}

方法说明:shutdown 方法是启动线程池有序关闭的方法,它在完全关闭之前会执行完之前所有已经提交的任务,并且不会再接受任何新任务。当线程池中的所有任务都执行完之后,线程池就进入了终止状态,调用 isTerminated 方法返回的结果就是 true 了。

以上程序的执行结果如下:

image.png

缺点分析

需要关闭线程池。

扩展:线程池的所有状态

线程池总共包含以下 5 种状态:

  • RUNNING:运行状态。
  • SHUTDOWN:关闭状态。
  • STOP:阻断状态。
  • TIDYING:整理状态。
  • TERMINATED:终止状态。

image.png


如果不调用线程池的关闭方法,那么线程池会一直处于 RUNNING 运行状态。

方法2:getCompletedTaskCount

我们可以通过判断线程池中的计划执行任务数和已完成任务数,来判断线程池是否已经全部执行完,如果计划执行任务数=已完成任务数,那么线程池的任务就全部执行完了,否则就未执行完,具体实现代码如下:

/**
 * 方法2:getCompletedTaskCount 实现方式
 * 判断线程池的所有任务是否执行完
 */
private static void isCompletedByTaskCount(ThreadPoolExecutor threadPool) {
    while (threadPool.getTaskCount() != threadPool.getCompletedTaskCount()) {
    }
}

以上程序执行结果如下:

image.png

方法说明

  • getTaskCount():返回计划执行的任务总数。由于任务和线程的状态可能在计算过程中动态变化,因此返回的值只是一个近似值。
  • getCompletedTaskCount():返回完成执行任务的总数。因为任务和线程的状态可能在计算过程中动态地改变,所以返回的值只是一个近似值,但是在连续的调用中并不会减少。

优缺点分析

此实现方法的优点是无需关闭线程池。
它的缺点是 getTaskCount() 和 getCompletedTaskCount() 返回的是一个近似值,因为线程池中的任务和线程的状态可能在计算过程中动态变化,所以它们两个返回的都是一个近似值。

方法3:CountDownLatch

CountDownLatch 可以理解为一个计数器,我们创建了一个包含 N 个任务的计数器,每个任务执行完计数器 -1,直到计数器减为 0 时,说明所有的任务都执行完了,就可以执行下一段业务的代码了,它的实现流程如下图所示:


具体实现代码如下:

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // 创建线程池
    ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(10, 20,
    	0, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>(1024));
    final int taskCount = 5;    // 任务总数
    // 单次计数器
    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(taskCount); // ①
    // 添加任务
    for (int i = 0; i < taskCount; i++) {
        final int finalI = i;
        threadPool.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    // 随机休眠 0-4s
                    int sleepTime = new Random().nextInt(5);
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(sleepTime);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(String.format("任务%d执行完成", finalI));
                // 线程执行完,计数器 -1
                countDownLatch.countDown();  // ②
            }
        });
    }
    // 阻塞等待线程池任务执行完
    countDownLatch.await();  // ③
    // 线程池执行完
    System.out.println();
    System.out.println("线程池任务执行完成!");
}

代码说明:以上代码中标识为 ①、②、③ 的代码行是核心实现代码,其中:
① 是声明一个包含了 5 个任务的计数器;
② 是每个任务执行完之后计数器 -1;
③ 是阻塞等待计数器 CountDownLatch 减为 0,表示任务都执行完了,可以执行 await 方法后面的业务代码了。

以上程序的执行结果如下:

image.png

优缺点分析

CountDownLatch 写法很优雅,且无需关闭线程池,但它的缺点是只能使用一次,CountDownLatch 创建之后不能被重复使用,也就是说 CountDownLatch 可以理解为只能使用一次的计数器。

方法4:CyclicBarrier

CyclicBarrier 和 CountDownLatch 类似,它可以理解为一个可以重复使用的循环计数器,CyclicBarrier 可以调用 reset 方法将自己重置到初始状态,CyclicBarrier 具体实现代码如下:

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // 创建线程池
    ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(10, 20,
    	0, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>(1024));
    final int taskCount = 5;    // 任务总数
    // 循环计数器 ①
    CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(taskCount, new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            // 线程池执行完
            System.out.println();
            System.out.println("线程池所有任务已执行完!");
        }
    });
    // 添加任务
    for (int i = 0; i < taskCount; i++) {
        final int finalI = i;
        threadPool.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    // 随机休眠 0-4s
                    int sleepTime = new Random().nextInt(5);
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(sleepTime);
                    System.out.println(String.format("任务%d执行完成", finalI));
                    // 线程执行完
                    cyclicBarrier.await(); // ②
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
    }
}

以上程序的执行结果如下:

image.png

方法说明

CyclicBarrier 有 3 个重要的方法:

  1. 构造方法:构造方法可以传递两个参数,参数 1 是计数器的数量 parties,参数 2 是计数器为 0 时,也就是任务都执行完之后可以执行的事件(方法)。
  2. await 方法:在 CyclicBarrier 上进行阻塞等待,当调用此方法时 CyclicBarrier 的内部计数器会 -1,直到发生以下情形之一:
    1. 在 CyclicBarrier 上等待的线程数量达到 parties,也就是计数器的声明数量时,则所有线程被释放,继续执行。
    2. 当前线程被中断,则抛出 InterruptedException 异常,并停止等待,继续执行。
    3. 其他等待的线程被中断,则当前线程抛出 BrokenBarrierException 异常,并停止等待,继续执行。
    4. 其他等待的线程超时,则当前线程抛出 BrokenBarrierException 异常,并停止等待,继续执行。
    5. 其他线程调用 CyclicBarrier.reset() 方法,则当前线程抛出 BrokenBarrierException 异常,并停止等待,继续执行。
  3. reset 方法:使得CyclicBarrier回归初始状态,直观来看它做了两件事:
    1. 如果有正在等待的线程,则会抛出 BrokenBarrierException 异常,且这些线程停止等待,继续执行。
    2. 将是否破损标志位 broken 置为 false。

优缺点分析

CyclicBarrier 从设计的复杂度到使用的复杂度都高于 CountDownLatch,相比于 CountDownLatch 来说它的优点是可以重复使用(只需调用 reset 就能恢复到初始状态),缺点是使用难度较高。

总结

我们本文提供 4 种判断线程池任务是否执行完的方法:

  1. 使用 isTerminated 方法判断:通过判断线程池的完成状态来实现,需要关闭线程池,一般情况下不建议使用。
  2. 使用 getCompletedTaskCount 方法判断:通过计划执行总任务量和已经完成总任务量,来判断线程池的任务是否已经全部执行,如果相等则判定为全部执行完成。但因为线程个体和状态都会发生改变,所以得到的是一个大致的值,可能不准确。
  3. 使用 CountDownLatch 判断:相当于一个线程安全的单次计数器,使用比较简单,且不需要关闭线程池,是比较常用的判断方法
  4. 使用 CyclicBarrier 判断:相当于一个线程安全的重复计数器,但使用较为复杂,所以日常项目中使用的较少。

是非审之于己,毁誉听之于人,得失安之于数。

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