Java實現(xiàn)手寫線程池的示例代碼
前言
在我們的日常的編程當(dāng)中,并發(fā)是始終離不開的主題,而在并發(fā)多線程當(dāng)中,線程池又是一個不可規(guī)避的問題。多線程可以提高我們并發(fā)程序的效率,可以讓我們不去頻繁的申請和釋放線程,這是一個很大的花銷,而在線程池當(dāng)中就不需要去頻繁的申請線程,他的主要原理是申請完線程之后并不中斷,而是不斷的去隊列當(dāng)中領(lǐng)取任務(wù),然后執(zhí)行,反復(fù)這樣的操作。在本篇文章當(dāng)中我們主要是介紹線程池的原理,因此我們會自己寫一個非常非常簡單的線程池,主要幫助大家理解線程池的核心原理?。?!
線程池給我們提供的功能
我們首先來看一個使用線程池的例子:
import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; public class Demo01 { public static void main(String[] args) { ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5); for (int i = 0; i < 100; i++) { pool.execute(new Runnable() { @Override public void run() { for (int i = 0; i < 100; i++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " print " + i); } } }); } } }
在上面的例子當(dāng)中,我們使用Executors.newFixedThreadPool去生成來一個固定線程數(shù)目的線程池,在上面的代碼當(dāng)中我們是使用5個線程,然后通過execute方法不斷的去向線程池當(dāng)中提交任務(wù),大致流程如下圖所示:
線程池通過execute函數(shù)不斷的往線程池當(dāng)中的任務(wù)隊列加入任務(wù),而線程池當(dāng)中的線程會不斷的從任務(wù)隊列當(dāng)中取出任務(wù),然后進(jìn)行執(zhí)行,然后繼續(xù)取任務(wù),繼續(xù)執(zhí)行....,線程的執(zhí)行過程如下:
while (true) { Runnable runnable = taskQueue.take(); // 從任務(wù)隊列當(dāng)中取出任務(wù) runnable.run(); // 執(zhí)行任務(wù) }
根據(jù)上面所談到的內(nèi)容,現(xiàn)在我們的需求很清晰了,首先我們需要有一個隊列去存儲我們所需要的任務(wù),然后需要開啟多個線程不斷的去任務(wù)隊列當(dāng)中取出任務(wù),然后進(jìn)行執(zhí)行,然后重復(fù)取任務(wù)執(zhí)行任務(wù)的操作。
工具介紹
在我們前面提到的線程池實現(xiàn)的原理當(dāng)中有一個非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),就是ArrayBlockingQueue阻塞隊列,它是一個并發(fā)安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),我們首先先簡單介紹一下這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的使用方法。(如果你想深入了解阻塞隊列的實現(xiàn)原理,可以參考這篇文章JDK數(shù)組阻塞隊列源碼剖析)
我們主要用的是ArrayBlockingQueue的下面兩個方法:
put函數(shù),這個函數(shù)是往線程當(dāng)中加入數(shù)據(jù)的。我們需要了解的是,如果一個線程調(diào)用了這個函數(shù)往隊列當(dāng)中加入數(shù)據(jù),如果此時隊列已經(jīng)滿了則線程需要被掛起,如果沒有滿則需要將數(shù)據(jù)加入到隊列當(dāng)中,也就是將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)組當(dāng)中。
take函數(shù),從隊列當(dāng)中取出數(shù)據(jù),但是當(dāng)隊列為空的時候需要將調(diào)用這個方法的線程阻塞。當(dāng)隊列當(dāng)中有數(shù)據(jù)的時候,就可以從隊列當(dāng)中取出數(shù)據(jù)。
需要注意的是,如果一個線程被上面兩個任何一個線程阻塞之后,可以調(diào)用對應(yīng)線程的interrupt方法終止線程的執(zhí)行,同時還會拋出一個異常。
下面是一份測試代碼:
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; import java.util.concurrent.TimeUnit; public class QueueTest { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(5); // 隊列的容量為5 Thread thread = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 10; i++) { try { queue.put(i); System.out.println("數(shù)據(jù) " + i + "被加入到隊列當(dāng)中"); } catch (InterruptedException e) { System.out.println("出現(xiàn)了中斷異常"); // 如果出現(xiàn)中斷異常 則退出 線程就不會一直在 put 方法被掛起了 return; }finally { } } }); thread.start(); TimeUnit.SECONDS.sleep(1); thread.interrupt(); } }
上面代碼輸出結(jié)果:
數(shù)據(jù) 0被加入到隊列當(dāng)中
數(shù)據(jù) 1被加入到隊列當(dāng)中
數(shù)據(jù) 2被加入到隊列當(dāng)中
數(shù)據(jù) 3被加入到隊列當(dāng)中
數(shù)據(jù) 4被加入到隊列當(dāng)中
出現(xiàn)了中斷異常
上面代碼的執(zhí)行順序是:
線程thread會將0-4這5個數(shù)據(jù)加入到隊列當(dāng)中,但是在加入第6個數(shù)據(jù)的時候,阻塞隊列已經(jīng)滿了,因此在加入數(shù)據(jù)的時候線程thread會被阻塞,然后主線程在休息一秒之后中斷了線程thread,然后線程thread發(fā)生了中斷異常,然后被捕獲進(jìn)入catch代碼塊,然后函數(shù)返回,線程thread就不會一直被阻塞了,這一點在我們后面寫線程池非常重要?。。?/p>
Worker設(shè)計
在前文當(dāng)中我們已經(jīng)提到了我們的線程需要不斷的去任務(wù)隊列里面取出任務(wù)然后執(zhí)行,我們設(shè)計一個Worker類去做這件事!
首先在類當(dāng)中肯定需要有一個線程池的任務(wù)隊列,因為worker需要不斷的從阻塞隊列當(dāng)中取出任務(wù)進(jìn)行執(zhí)行。
我們用一個isStopped變量表示線程是否需要終止了,也就是線程池是否需要關(guān)閉,如果線程池需要關(guān)閉了,那么線程也應(yīng)該停止了。
我們還需要有一個變量記錄執(zhí)行任務(wù)的線程,因為當(dāng)我們需要關(guān)閉線程池的時候需要等待任務(wù)隊列當(dāng)中所有的任務(wù)執(zhí)行完成,那么當(dāng)所有的任務(wù)都執(zhí)行執(zhí)行完成的時候,隊列肯定是空的,而如果這個時候有線程還去取任務(wù),那么肯定會被阻塞,前面已經(jīng)提到了ArrayBlockingQueue的使用方法了,我們可以使用這個線程的interrupt的方法去中斷這個線程的執(zhí)行,這個線程會出現(xiàn)異常,然后這個線程捕獲這個異常就可以退出了,因此我們需要知道對那個線程執(zhí)行interrupt方法!
Worker實現(xiàn)的代碼如下:
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; public class Worker implements Runnable { // 用于保存任務(wù)的隊列 private ArrayBlockingQueue<Runnable> tasks; // 線程的狀態(tài) 是否終止 private volatile boolean isStopped; // 保存執(zhí)行 run 方法的線程 private volatile Thread thisThread; public Worker(ArrayBlockingQueue<Runnable> tasks) { // 這個參數(shù)是線程池當(dāng)中傳入的 this.tasks = tasks; } @Override public void run() { thisThread = Thread.currentThread(); while (!isStopped) { try { Runnable task = tasks.take(); task.run(); } catch (InterruptedException e) { // do nothing } } } // 注意是其他線程調(diào)用這個方法 同時需要注意是 thisThread 這個線程在執(zhí)行上面的 run 方法 // 其他線程調(diào)用 thisThread 的 interrupt 方法之后 thisThread 會出現(xiàn)異常 然后就不會一直阻塞了 // 會判斷 isStopped 是否為 true 如果為 true 的話就可以退出 while 循環(huán)了 public void stop() { isStopped = true; thisThread.interrupt(); // 中斷線程 thisThread } public boolean isStopped(){ return isStopped; } }
線程池設(shè)計
首先線程池需要可以指定有多少個線程,阻塞隊列的最大長度,因此我們需要有這兩個參數(shù)。
線程池肯定需要有一個隊列去存放通過submit函數(shù)提交的任務(wù)。
需要有一個變量存儲所有的woker,因為線程池關(guān)閉的時候需要將這些worker都停下來,也就是調(diào)用worker的stop方法。
需要有一個shutDown函數(shù)表示關(guān)閉線程池。
需要有一個函數(shù)能夠停止所有線程的執(zhí)行,因為關(guān)閉線程池就是讓所有線程的工作停下來。
線程池實現(xiàn)代碼:
import java.util.ArrayList; import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue; public class MyFixedThreadPool { // 用于存儲任務(wù)的阻塞隊列 private ArrayBlockingQueue<Runnable> taskQueue; // 保存線程池當(dāng)中所有的線程 private ArrayList<Worker> threadLists; // 線程池是否關(guān)閉 private boolean isShutDown; // 線程池當(dāng)中的線程數(shù)目 private int numThread; public MyFixedThreadPool(int i) { this(Runtime.getRuntime().availableProcessors() + 1, 1024); } public MyFixedThreadPool(int numThread, int maxTaskNumber) { this.numThread = numThread; taskQueue = new ArrayBlockingQueue<>(maxTaskNumber); // 創(chuàng)建阻塞隊列 threadLists = new ArrayList<>(); // 將所有的 worker 都保存下來 for (int i = 0; i < numThread; i++) { Worker worker = new Worker(taskQueue); threadLists.add(worker); } for (int i = 0; i < threadLists.size(); i++) { new Thread(threadLists.get(i), "ThreadPool-Thread-" + i).start(); // 讓worker開始工作 } } // 停止所有的 worker 這個只在線程池要關(guān)閉的時候才會調(diào)用 private void stopAllThread() { for (Worker worker : threadLists) { worker.stop(); // 調(diào)用 worker 的 stop 方法 讓正在執(zhí)行 worker 當(dāng)中 run 方法的線程停止執(zhí)行 } } public void shutDown() { // 等待任務(wù)隊列當(dāng)中的任務(wù)執(zhí)行完成 while (taskQueue.size() != 0) { // 如果隊列當(dāng)中還有任務(wù) 則讓出 CPU 的使用權(quán) Thread.yield(); } // 在所有的任務(wù)都被執(zhí)行完成之后 停止所有線程的執(zhí)行 stopAllThread(); } public void submit(Runnable runnable) { try { taskQueue.put(runnable); // 如果任務(wù)隊列滿了, 調(diào)用這個方法的線程會被阻塞 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }
測試代碼:
public class Test { public static void main(String[] args) { MyFixedThreadPool pool = new MyFixedThreadPool(5, 1024); // 開啟5個線程 任務(wù)隊列當(dāng)中最多只能存1024個任務(wù) for (int i = 0; i < 1000000; i++) { pool.submit(() -> { System.out.println(Thread.currentThread().getName()); // 提交的任務(wù)就是打印線程自己的名字 }); } pool.shutDown(); } }
上面的代碼是可以正常執(zhí)行并且結(jié)束的,這個輸出太長了這里只列出部分輸出結(jié)果:
ThreadPool-Thread-0
ThreadPool-Thread-4
ThreadPool-Thread-0
ThreadPool-Thread-1
ThreadPool-Thread-3
ThreadPool-Thread-1
ThreadPool-Thread-3
ThreadPool-Thread-3
ThreadPool-Thread-3
ThreadPool-Thread-3
ThreadPool-Thread-3
ThreadPool-Thread-2
ThreadPool-Thread-3
ThreadPool-Thread-2
ThreadPool-Thread-1
ThreadPool-Thread-0
ThreadPool-Thread-0
ThreadPool-Thread-0
ThreadPool-Thread-1
ThreadPool-Thread-4
從上面的輸出我們可以看見線程池當(dāng)中只有5個線程,這5個線程在不斷從隊列當(dāng)中取出任務(wù)然后執(zhí)行,因為我們可以看到同一個線程的名字輸出了多次。
總結(jié)
在本篇文章當(dāng)中主要介紹了線程池的原理,以及我們應(yīng)該去如何設(shè)計一個線程池,同時也介紹了在阻塞隊列當(dāng)中一個非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ArrayBlockingQueue的使用方法。
線程池當(dāng)中有一個阻塞隊列去存放所有被提交到線程池當(dāng)中的任務(wù)。
所有的Worker會不斷的從任務(wù)隊列當(dāng)中取出任務(wù)然后執(zhí)行。
線程池的shutDown方法其實比較難思考該怎么實現(xiàn)的,首先在我們真正關(guān)閉線程池之前需要將任務(wù)隊列當(dāng)中所有的任務(wù)執(zhí)行完成,然后將所有的線程停下來。
在所有的任務(wù)執(zhí)行完成之后,可能有的線程就會阻塞在take方法上(從隊列當(dāng)中取數(shù)據(jù)的方法,如果隊列為空線程會阻塞),好在ArrayBlockingQueue在實現(xiàn)的時候就考慮到了這個問題,只需要其他線程調(diào)用了這個被阻塞線程的interrupt方法的話,線程就可以通過捕獲異?;謴?fù)執(zhí)行,然后判斷isStopped,如果需要停止了就跳出while循環(huán),這樣的話我們就可以完成所有線程的停止操作了。
到此這篇關(guān)于Java實現(xiàn)手寫線程池的示例代碼的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java線程池內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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