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Java实现手写一个线程池的示例代码

Java手写线程池Java线程池 2022-11-13 18:11:27 365人浏览 安东尼

Python 官方文档：入门教程 => 点击学习

摘要

目录概述线程池框架设计代码实现阻塞队列的实现线程池消费端实现获取任务超时设计拒绝策略设计概述 线程池技术想必大家都不陌生把，相信在平时的工作中没有少用，而且这也是面试频率非常高的一个

概述

线程池技术想必大家都不陌生把，相信在平时的工作中没有少用，而且这也是面试频率非常高的一个知识点，那么大家知道它的实现原理和细节吗？如果直接去看jdk源码的话，可能有一定的难度，那么我们可以先通过手写一个简单的线程池框架，去掌握线程池的基本原理后，再去看jdk的线程池源码就会相对容易，而且不容易忘记。

线程池框架设计

我们都知道，线程资源的创建和销毁并不是没有代价的，甚至开销是非常高的。同时，线程也不是任意多创建的，因为活跃的线程会消耗系统资源，特别是内存，在一定的范围内，增加线程可以提高系统的吞吐率，如果超过了这个范围，反而会降低程序的执行速度。

因此，设计一个容纳多个线程的容器，容器中的线程可以重复使用，省去了频繁创建和销毁线程对象的操作, 达到下面的目标：

  • 降低资源消耗，减少了创建和销毁线程的次数，每个工作线程都可以被重复利用，可执行多个任务
  • 提高响应速度，当任务到达时，如果有线程可以直接用，不会出现系统僵死
  • 提高线程的可管理性，如果无限制的创建线程，不仅会消耗系统资源，还会降低系统的稳定性，使用线程池可以进行统一的分配，调优和监控

线程池的核心思想： 线程复用，同一个线程可以被重复使用，来处理多个任务。

为了实现线程池功能，需要考虑下面几个设计要点：

  • 线程池可以接口外部提交的任务执行
  • 线程池有工作线程的数量，有任务执行，没有任务也空闲在那，等待任务过来，这样既避免线程频繁创建销毁带来的开销，同时也可以避免线程池无限制的创建线程
  • 如果线程池接受提交的任务超过工作线程的数量了，该怎么办？可以用一个队列把任务存下来，等工作线程完成任务后去队列中获取任务，执行
  • 那如果任务实在是太多太多了，达到了我们认为的队列最大值，怎么办，我们可以设计一种任务太多的策略，可以进行切换，比如直接丢弃任务、报错等等

看了上面的设计目标和要点，是不是能立刻想到一个非常经典的设计模型——生产者消费者模型。

  • 阻塞队列存储执行任务，比如外部main函数作为生产者向队列生产任务。
  • 线程池中的工作线程作为消费者获取任务执行。

现在我们将我们的设计思路转换为代码。

代码实现

阻塞队列的实现

  • 阻塞队列主要存放任务，有容量限制
  • 阻塞队列提供添加和删除任务的api, 如果超过容量，阻塞不能添加任务，如果没有任务，阻塞无法获取任务。

@Slf4j(topic = "c.BlockingQueue")
public class BlockingQueue<T> {
    // 容量
    private int capcity;
    // 双端任务队列容器
    private Deque<T> deque = new ArrayDeque<>();
    // 重入锁
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // 生产者条件变量
    private Condition fullWaitSet = lock.newCondition();
    // 生产者条件变量
    private Condition emptyWaitSet = lock.newCondition();

    public BlockingQueue(int capcity) {
        this.capcity = capcity;
    }

    // 阻塞的方式添加任务
    public void put(T task) {
        lock.lock();
        try {
            // 通过while的方式
            while (deque.size() >= capcity) {
                log.debug("wait to add queue");
                try {
                    fullWaitSet.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            deque.offer(task);
            log.debug("task add successfully");
            emptyWaitSet.signal();
        }  finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    // 阻塞获取任务
    public T take() {
        lock.lock();
        try {
            // 通过while的方式
            while (deque.isEmpty()) {
                try {
                    log.debug("wait to take task");
                    emptyWaitSet.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            fullWaitSet.signal();
            T task = deque.poll();
            log.debug("take task successfully");
            // 从队列中获取元素
            return task;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}
  • put()方法是向阻塞队列中添加任务
  • take()方法是向阻塞队列中获取任务

线程池消费端实现

1.定义执行器接口


public interface Executor {

    
    void execute(Runnable task);
}

2.定义线程池类实现该接口

@Slf4j(topic = "c.ThreadPool")
public class ThreadPool implements Executor {

    
    private BlockingQueue<Runnable> taskQueue;

    
    private int coreSize;

    
    private Set<Worker> workers = new HashSet<>();

    
    public ThreadPool(int coreSize, int capcity) {
        this.coreSize = coreSize;
        this.taskQueue = new BlockingQueue<>(capcity);
    }

    
    @Override
    public void execute(Runnable task) {
        synchronized (workers) {
            // 如果工作线程数小于阈值，直接开始任务执行
            if(workers.size() < coreSize) {
                Worker worker = new Worker(task);
                workers.add(worker);
                worker.start();
            } else {
                // 如果超过了阈值，加入到队列中
                taskQueue.put(task);
            }
        }
    }

    
    class Worker extends Thread {
        private Runnable task;

        public Worker(Runnable task) {
            this.task = task;
        }

        @Override
        public void run() {
            // 如果任务不为空，或者可以从队列中获取任务
            while (task != null || (task = taskQueue.take()) != null) {
                try {
                    task.run();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    // 执行完后，设置任务为空
                    task = null;
                }
            }

              // 移除工作线程
            synchronized (workers){
                log.debug("remove worker successfully");
                workers.remove(this);
            }
        }
    }
}
  • Worker类是工作线程类，包装了执行任务，里面实现了从队列获取任务，然后执行任务。
  • execute方法的实现中，如果工作线程数量小于阈值的话，直接创建新的工作线程，否则将任务添加到队列中。

3.演示

@Test
    public void testThreadPool1() throws InterruptedException {
        Executor executor = new ThreadPool(2, 4);
        // 提交任务
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            final  int j = i;
            executor.execute(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(10);
                    log.info("run task {}", j);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            Thread.sleep(10);
        }

        Thread.sleep(10000);
    }

运行结果：

获取任务超时设计

目前从队列中获取任务是永久阻塞等待的，可以改成阻塞一段时间没有获取任务，丢弃的策略。

@Slf4j(topic = "c.TimeoutBlockingQueue")
public class TimeoutBlockingQueue<T> {
    // 容量
    private int capcity;
    // 双端任务队列容器
    private Deque<T> deque = new ArrayDeque<>();
    // 重入锁
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // 生产者条件变量
    private Condition fullWaitSet = lock.newCondition();
    // 生产者条件变量
    private Condition emptyWaitSet = lock.newCondition();

    public TimeoutBlockingQueue(int capcity) {
        this.capcity = capcity;
    }

    // 带超时时间的获取
    public T poll(long timeout, TimeUnit unit){
        lock.lock();
        try{
            // 将 timeout 统一转换为 纳秒
            long nanos = unit.toNanos(timeout);
            while (deque.isEmpty()){
                try {
                    if (nanos<=0){
                        return null;
                    }
                    // 返回的是剩余的等待时间，更改navos的值，使虚假唤醒的时候可以继续等待
                    nanos = emptyWaitSet.awaitNanos(nanos);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            fullWaitSet.signal();
            return deque.getFirst();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    // 带超时时间的增加
    public boolean offer(T task , long timeout , TimeUnit unit){
        lock.lock();
        try{
            // 将 timeout 统一转换为 纳秒
            long nanos = unit.toNanos(timeout);
            while (deque.size() == capcity){
                try {
                    if (nanos<=0){
                        return false;
                    }
                    // 更新剩余需要等待的时间
                    nanos = fullWaitSet.awaitNanos(nanos);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            log.debug("加入任务队列 {}", task);
            deque.addLast(task);
            emptyWaitSet.signal();
            return true;
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

新加TimeoutBlockingQueue类，添加offer和poll待超时的添加和获取任务的方法。

拒绝策略设计

目前的实现还是有个漏洞，无法自定义任务超出阈值的一个拒绝策略，我们可以通过利用函数式编程+策略模式去实现。

1.定义策略模式的函数式接口


@FunctionalInterface
public interface RejectPolicy<T> {

    
    void reject(BlockingQueue<T> queue, T task);
}

2.添加函数式接口的调用入口

我们可以在阻塞队列添加任务新加一个api, 添加任务如果超过容量，调用函数式接口。

@Slf4j(topic = "c.BlockingQueue")
public class BlockingQueue<T> {
    ........

    
    public void tryPut(RejectPolicy<T> rejectPolicy, T task) {
        lock.lock();
        try{
            // 如果队列超过容量
            if (deque.size()> capcity){
                log.debug("task too much, do reject");
                rejectPolicy.reject(this, task);
            }else {
                deque.offer(task);
                emptyWaitSet.signal();
            }
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

3.修改ThreadPool类

@Slf4j(topic = "c.ThreadPool")
public class ThreadPool implements Executor {
    .....

    
    private RejectPolicy rejectPolicy;

    // 通过构造方法传入执行的拒绝策略
    public ThreadPool(int coreSize, int capcity, RejectPolicy rejectPolicy) {
        this.coreSize = coreSize;
        this.taskQueue = new BlockingQueue<>(capcity);
        this.rejectPolicy = rejectPolicy;
    }

    
    @Override
    public void execute(Runnable task) {
        synchronized (workers) {
            // 如果工作线程数小于阈值，直接开始任务执行
            if(workers.size() < coreSize) {
                Worker worker = new Worker(task);
                workers.add(worker);
                worker.start();
            } else {
                // 如果超过了阈值，加入到队列中
                //taskQueue.put(task);
                
                // 调用tryPut的方式
                taskQueue.tryPut(rejectPolicy, task);
            }
        }
    }

   ....
}

通过构造方法的方式传入要执行的拒绝策略

调用tryPut方法添加任务

4.演示

以上就是Java实现手写一个线程池的示例代码的详细内容，更多关于Java线程池的资料请关注编程网其它相关文章！

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--结束END--

本文标题: Java实现手写一个线程池的示例代码

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