如何实现简单的线程池？

Posted 2022-01-30 小胖java攻城狮

由于最近气温节节高升，请大家喝完蜜雪冰城观看一下内容，因为内容太干了，容易渴。😂

拆分实现流程

请看下面这张图

首先我们得对线程池进行一个功能拆分

• Thread Pool 就是我们的线程池，t1，t2，t3代表三个线程
• Blocking Queue代表阻塞队列
• main代表main方法的线程
• task1，task2，task3代表要执行的每个任务

现在我们梳理一下执行的流程，注意这里是简略版的，文章后面我会给出详细版的

所以此时，我们发现了需要创建几个类，或者说几个角色，分别是

• 线程池
• 工作线程
• 阻塞队列
• 拒绝策略（干嘛的？就是当线程数已经满了，并且阻塞队列也满了，还有任务想进入阻塞队列的时候，就可以拒绝这个任务）

实现方式

1.拒绝策略

/**
 * 拒绝策略
 */
@FunctionalInterface
interface RejectPolicy<T>
	//queue就是我们自己实现的阻塞队列，task是任务
    void reject(BlockingQueue<T> queue,T task);

2.阻塞队列

我们需要实现四个方法，获取和添加，超时获取和超时添加，至于方法实现的细节，我都备注了大量的注释进行解释。

/**
 * 阻塞队列
 */
class BlockingQueue<T>
    //阻塞队列
    private Deque<T> queue = new ArrayDeque<>();

    //锁
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    //生产者条件变量
    private Condition fullWaitSet = lock.newCondition();

    //消费者条件变量
    private Condition emptyWaitSet = lock.newCondition();

    //容量
    private int capacity;

    public BlockingQueue(int capacity)
        this.capacity = capacity;
    

    //带有超时阻塞获取
    public T poll(long timeout, TimeUnit timeUnit)
        lock.lock();
        try 
            //将timeout统一转换为纳秒
            long nanos = timeUnit.toNanos(timeout);
            while(queue.isEmpty())
                try 
                    if(nanos <= 0)
                        //小于0，说明上次没有获取到，代表已经超时了
                        return null;
                    
                    //返回值是剩余的时间
                    nanos = emptyWaitSet.awaitNanos(nanos);
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                
            
            T t = queue.removeFirst();
            //通知生产者
            fullWaitSet.signal();
            return t;
        finally 
            lock.unlock();
        
    

    //阻塞获取
    public T take()
        lock.lock();
        try
            while(queue.isEmpty()) //如果任务队列为空，代表线程池没有可以执行的内容
                try 
                     /*
                    也就说此时进来的线程是执行不了任务的，所以此时emptyWaitSet消费者要进行阻塞状态
                    等待下一次唤醒，然后继续判断队列是否为空
                     */
                    emptyWaitSet.await();
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                
            
            /*
            代码执行到这里。说明任务队列不为空，线程池就从任务队列拿出一个任务出来执行
            也就是说把阻塞队列的一个任务出队
             */
            T t = queue.removeFirst();
            /*
            然后唤醒之前存放在生成者Condition休息室，因为由于之前阻塞队列已满，fullWaitSet才会进入阻塞状态
            所以当阻塞队列删除了任务，就要唤醒之前进入阻塞状态的fullWaitSet
             */
            fullWaitSet.signal();
            //返回任务
            return t;
        finally 
            lock.unlock();
        
    

    //阻塞添加
    public void put(T task)
        lock.lock();
        try 
            while(queue.size() == capacity)    //任务队列满了
                try 
                    System.out.println("等待加入任务队列"+task);
                    /*
                    也就说此时进来的任务是进不了阻塞队列的，已经满了，所以此时生产者Condition要进入阻塞状态
                    等待下一次唤醒，然后继续判断队列是否为空
                     */
                    fullWaitSet.await();
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                
            
            //任务队列还未满
            System.out.println("加入任务队列"+task);
            //把任务加入阻塞队列
            queue.addLast(task);
            /*
            然后唤醒之前存放在消费者Condition休息室，因为由于之前阻塞队列为空，emptyWaitSet才会进入阻塞状态
            所以当阻塞队列加入了任务，就要唤醒之前进入阻塞状态的emptyWaitSet
             */
            emptyWaitSet.signal();
        finally 
            lock.unlock();
        
    

    //带超时阻塞时间添加
    public boolean offer(T task,long timeout,TimeUnit timeUnit)
        lock.lock();
        try 
            long nanos = timeUnit.toNanos(timeout);
            while(queue.size() == capacity)
                try 
                    if(nanos < 0)
                        return false;
                    
                    System.out.println("等待加入任务队列"+task);
                    //不会一直阻塞，超时就会继续向下执行
                    nanos = fullWaitSet.awaitNanos(nanos);
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                
            
            System.out.println("加入任务队列"+task);
            queue.addLast(task);
            emptyWaitSet.signal();
            return true;
        finally 
            lock.unlock();
        
    

    //获取任务数量
    public int size()
        lock.lock();
        try
            return queue.size();
        finally 
            lock.unlock();
        
    

    //尝试添加任务，如果阻塞队列已经满了，就使用拒绝策略
    public void tryPut(RejectPolicy<T> rejectPolicy, T task)
        lock.lock();
        try 
            //判断队列是否已满
            if(queue.size() == capacity)
                rejectPolicy.reject(this,task);
            else  //有空闲
                System.out.println("加入任务队列"+task);
                queue.addLast(task);
                emptyWaitSet.signal();
            
        finally 
            lock.unlock();
        
    

3.线程池和工作线程

我把工作线程当成线程池的内部类去实现。方便调用变量。

/**
 * 线程池
 */
class ThreadPool
    //阻塞队列
    private BlockingQueue<Runnable> taskQueue;

    //线程集合
    private HashSet<Worker> workers = new HashSet<>();

    //核心线程数
    private int coreSize;

    //获取任务的超时时间
    private long timeout;

    private TimeUnit timeUnit;

    private RejectPolicy<Runnable> rejectPolicy;

    public ThreadPool(int coreSize, long timeout, TimeUnit timeUnit, int queueCapacity,RejectPolicy<Runnable> rejectPolicy) 
        this.coreSize = coreSize;
        this.timeout = timeout;
        this.timeUnit = timeUnit;
        this.taskQueue = new BlockingQueue<>(queueCapacity);
        this.rejectPolicy = rejectPolicy;
    

    //执行任务
    public void execute(Runnable task)
        synchronized (workers)
            if(workers.size() <= coreSize)  //当前的线程数小于核心线程数
                Worker worker = new Worker(task);
                workers.add(worker);
                //让线程开始工作，执行它的run方法
                worker.start();
            else
                // 1) 死等
                // 2) 带超时等待
                // 3) 让调用者放弃任务执行
                // 4) 让调用者抛出异常
                // 5) 让调用者自己执行任务
                taskQueue.tryPut(rejectPolicy,task);
            
        
    

    /**
     * 工作线程，也就是线程池里面的线程
     */
    class Worker extends Thread
        private Runnable task;
        public Worker(Runnable task)
            this.task = task;
        

        @Override
        public void run() 
            //执行任务
            // 1) 当 task 不为空，执行任务
            // 2) 当 task 执行完毕，再接着从任务队列获取任务并执行
            while (task != null || (task = taskQueue.poll(timeout, timeUnit)) != null) 
                try 
                    System.out.println("正在执行的任务" + task);
                    task.run();
                 catch (Exception e) 
                    e.printStackTrace();
                 finally 
                    //代表这个任务已经执行完了
                    task = null;
                
            
            synchronized (workers) 
                System.out.println("worker 被移除" + this);
                workers.remove(this);
            
        
    

策略模式

细心的小伙伴已经发现，我在拒绝策略这里使用了23种设计模式的策略模式，因为我没有将拒绝的方式写死，而是交给了调用者去实现。

对比JDK的线程池

下面是JDK自带的线程池

经典的七大核心参数

• corePoolSize：核心线程数
• queueCapacity：任务队列容量（阻塞队列）
• maxPoolSize：最大线程数
• keepAliveTime：线程空闲时间
• TimeUnit unit：超时时间单位
• ThreadFactory threadFactory：线程工程
• rejectedExecutionHandler：任务拒绝处理器

实际上我们自己实现的也大同小异，只不过JDK官方的更为复杂。

JDK线程执行的流程图

线程池的状态转化

线程我们知道在操作系统层面有5种状态

• 初始状态：仅是在语言层面创建了线程对象，还未与操作系统线程关联
• 可运行状态（就绪状态）：指该线程已经被创建（与操作系统线程关联），可以由 CPU 调度执行
• 运行状态：指获取了 CPU 时间片运行中的状态，当 CPU 时间片用完，会从【运行状态】转换至【可运行状态】，会导致线程的上下文切换
• 阻塞状态
  如果调用了阻塞 API，如 BIO 读写文件，这时该线程实际不会用到 CPU，会导致线程上下文切换，进入【阻塞状态】
  等 BIO 操作完毕，会由操作系统唤醒阻塞的线程，转换至【可运行状态】
  与【可运行状态】的区别是，对【阻塞状态】的线程来说只要它们一直不唤醒，调度器就一直不会考虑调度它们
• 终止状态：表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转换为其它状态

线程在Java API层面有6种状态

• NEW 线程刚被创建，但是还没有调用 start() 方法
• RUNNABLE 当调用了 start() 方法之后，注意，Java API 层面的
• RUNNABLE 状态涵盖了 操作系统 层面的【可运行状态】、【运行状态】
• BLOCKED ， WAITING ， TIMED_WAITING 都是 Java API 层面对【阻塞状态】的细分
• TERMINATED 当线程代码运行结束

线程池有5种状态

• RUNNING：能接受新任务，并处理阻塞队列中的任务
• SHUTDOWN：不接受新任务，但是可以处理阻塞队列中的任务
• STOP：不接受新任务，并且不处理阻塞队列中的任务，并且还打断正在运行任务的线程，就是直接不干了！
• TIDYING：所有任务都终止，并且工作线程也为0，处于关闭之前的状态
• TERMINATED：已关闭。