Java 线程池的原理与实现

Posted 2020-09-20 lxjshuju

 

这几天主要是狂看源程序，在弥补了一些曾经知识空白的同一时候，也学会了不少新的知识（比方 NIO）。或者称为新技术吧。

线程池就是当中之中的一个，一提到线程。我们会想到曾经《操作系统》的生产者与消费者。信号量，同步控制等等。
一提到池。我们会想到数据库连接池。可是线程池又怎样呢？


建议：在阅读本文前，先理一理同步的知识。特别是syncronized同步keyword的使用方法。
关于我对同步的认识。要缘于大三年的一本书。书名好像是 Java 实战，这本书写得实在太妙了，真正的从理论到实践，从截图分析到.class字节码分析。哇，我想市场上非常难买到这么精致的书了。

作为一个Java爱好者。我认为绝对值得一读。

我对此书印象最深之中的一个的就是：equal()方法。由浅入深。经典！
还有就是同步了，当中提到了我的几个编程误区。曾经怎样使用同步提高性能等等。通过学习，使我对同步的认识进一步加深。

简介

    创建线程有两种方式：继承Thread或实现Runnable。Thread实现了Runnable接口，提供了一个空的run()方法，所以不论是继承Thread还是实现Runnable，都要有自己的run()方法。
    一个线程创建后就存在，调用start()方法就開始执行（执行run()方法），调用wait进入等待或调用sleep进入休眠期，顺利执行完成或休眠被中断或执行过程中出现异常而退出。

wait和sleep比較：
      sleep方法有：sleep(long millis)。sleep(long millis, long nanos)，调用sleep方法后，当前线程进入休眠期，暂停运行，但该线程继续拥有监视资源的全部权。到达休眠时间后线程将继续运行，直到完毕。

若在休眠期还有一线程中断该线程，则该线程退出。
      wait方法有：wait()。wait(long timeout)，wait(long timeout, long nanos)，调用wait方法后，该线程放弃监视资源的全部权进入等待状态；
      wait()：等待有其他的线程调用notify()或notifyAll()进入调度状态，与其他线程共同争夺监视。wait()相当于wait(0)。wait(0, 0)。
      wait(long timeout)：当其他线程调用notify()或notifyAll()，或时间到达timeout亳秒。或有其他某线程中断该线程，则该线程进入调度状态。
      wait(long timeout, long nanos)：相当于wait(1000000*timeout + nanos)，仅仅只是时间单位为纳秒。

线程池：
    多线程技术主要解决处理器单元内多个线程运行的问题，它能够显著降低处理器单元的闲置时间，添加处理器单元的吞吐能力。
   
    如果一个server完毕一项任务所需时间为：T1 创建线程时间，T2 在线程中运行任务的时间，T3 销毁线程时间。

   
    假设：T1 + T3 远大于 T2，则能够採用线程池，以提高server性能。
                一个线程池包含下面四个基本组成部分：
                1、线程池管理器（ThreadPool）：用于创建并管理线程池。包含 创建线程池，销毁线程池。加入新任务。
                2、工作线程（PoolWorker）：线程池中线程。在没有任务时处于等待状态，能够循环的运行任务。
                3、任务接口（Task）：每一个任务必须实现的接口。以供工作线程调度任务的运行，它主要规定了任务的入口，任务运行完后的收尾工作，任务的运行状态等；
                4、任务队列（taskQueue）：用于存放没有处理的任务。提供一种缓冲机制。
               
    线程池技术正是关注怎样缩短或调整T1,T3时间的技术，从而提高server程序性能的。它把T1，T3分别安排在server程序的启动和结束的时间段或者一些空暇的时间段，这样在server程序处理客户请求时，不会有T1，T3的开销了。

    线程池不仅调整T1,T3产生的时间段，并且它还显著降低了创建线程的数目，看一个样例：

    如果一个server一天要处理50000个请求，而且每一个请求须要一个单独的线程完毕。

在线程池中，线程数通常是固定的，所以产生线程总数不会超过线程池中线程的数目，而如果server不利用线程池来处理这些请求则线程总数为50000。一般线程池大小是远小于50000。所以利用线程池的server程序不会为了创建50000而在处理请求时浪费时间。从而提高效率。

/** 线程池类，工作线程作为其内部类 **/

package org.ymcn.util;

import java.util.Collections;
import java.util.Date;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

import org.apache.log4j.Logger;

/**
* 线程池
* 创建线程池，销毁线程池，加入新任务
*
* @author obullxl
*/
public final class ThreadPool {
    private static Logger logger = Logger.getLogger(ThreadPool.class);
    private static Logger taskLogger = Logger.getLogger("TaskLogger");

    private static boolean debug = taskLogger.isDebugEnabled();
    // private static boolean debug = taskLogger.isInfoEnabled();
    /* 单例 */
    private static ThreadPool instance = ThreadPool.getInstance();

    public static final int SYSTEM_BUSY_TASK_COUNT = 150;
    /* 默认池中线程数 */
    public static int worker_num = 5;
    /* 已经处理的任务数 */
    private static int taskCounter = 0;

    public static boolean systemIsBusy = false;

    private static List<Task> taskQueue = Collections
            .synchronizedList(new LinkedList<Task>());
    /* 池中的全部线程 */
    public PoolWorker[] workers;

    private ThreadPool() {
        workers = new PoolWorker[5];
        for (int i = 0; i < workers.length; i++) {
            workers[i] = new PoolWorker(i);
        }
    }

    private ThreadPool(int pool_worker_num) {
        worker_num = pool_worker_num;
        workers = new PoolWorker[worker_num];
        for (int i = 0; i < workers.length; i++) {
            workers[i] = new PoolWorker(i);
        }
    }

    public static synchronized ThreadPool getInstance() {
        if (instance == null)
            return new ThreadPool();
        return instance;
    }
    /**
    * 添加新的任务
    * 每添加一个新任务，都要唤醒任务队列
    * @param newTask
    */
    public void addTask(Task newTask) {
        synchronized (taskQueue) {
            newTask.setTaskId(++taskCounter);
            newTask.setSubmitTime(new Date());
            taskQueue.add(newTask);
            /* 唤醒队列, 開始运行 */
            taskQueue.notifyAll();
        }
        logger.info("Submit Task<" + newTask.getTaskId() + ">: "
                + newTask.info());
    }
    /**
    * 批量添加新任务
    * @param taskes
    */
    public void batchAddTask(Task[] taskes) {
        if (taskes == null || taskes.length == 0) {
            return;
        }
        synchronized (taskQueue) {
            for (int i = 0; i < taskes.length; i++) {
                if (taskes[i] == null) {
                    continue;
                }
                taskes[i].setTaskId(++taskCounter);
                taskes[i].setSubmitTime(new Date());
                taskQueue.add(taskes[i]);
            }
            /* 唤醒队列, 開始运行 */
            taskQueue.notifyAll();
        }
        for (int i = 0; i < taskes.length; i++) {
            if (taskes[i] == null) {
                continue;
            }
            logger.info("Submit Task<" + taskes[i].getTaskId() + ">: "
                    + taskes[i].info());
        }
    }
    /**
    * 线程池信息
    * @return
    */
    public String getInfo() {
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append("\nTask Queue Size:" + taskQueue.size());
        for (int i = 0; i < workers.length; i++) {
            sb.append("\nWorker " + i + " is "
                    + ((workers[i].isWaiting()) ? "Waiting." : "Running."));
        }
        return sb.toString();
    }
    /**
    * 销毁线程池
    */
    public synchronized void destroy() {
        for (int i = 0; i < worker_num; i++) {
            workers[i].stopWorker();
            workers[i] = null;
        }
        taskQueue.clear();
    }

    /**
    * 池中工作线程
    *
    * @author obullxl
    */
    private class PoolWorker extends Thread {
        private int index = -1;
        /* 该工作线程是否有效 */
        private boolean isRunning = true;
        /* 该工作线程能否够运行新任务 */
        private boolean isWaiting = true;

        public PoolWorker(int index) {
            this.index = index;
            start();
        }

        public void stopWorker() {
            this.isRunning = false;
        }

        public boolean isWaiting() {
            return this.isWaiting;
        }
        /**
        * 循环运行任务
        * 这或许是线程池的关键所在
        */
        public void run() {
            while (isRunning) {
                Task r = null;
                synchronized (taskQueue) {
                    while (taskQueue.isEmpty()) {
                        try {
                            /* 任务队列为空，则等待有新任务增加从而被唤醒 */
                            taskQueue.wait(20);
                        } catch (InterruptedException ie) {
                            logger.error(ie);
                        }
                    }
                    /* 取出任务运行 */
                    r = (Task) taskQueue.remove(0);
                }
                if (r != null) {
                    isWaiting = false;
                    try {
                        if (debug) {
                            r.setBeginExceuteTime(new Date());
                            taskLogger.debug("Worker<" + index
                                    + "> start execute Task<" + r.getTaskId() + ">");
                            if (r.getBeginExceuteTime().getTime()
                                    - r.getSubmitTime().getTime() > 1000)
                                taskLogger.debug("longer waiting time. "
                                        + r.info() + ",<" + index + ">,time:"
                                        + (r.getFinishTime().getTime() - r
                                                .getBeginExceuteTime().getTime()));
                        }
                        /* 该任务是否须要马上运行 */
                        if (r.needExecuteImmediate()) {
                            new Thread(r).start();
                        } else {
                            r.run();
                        }
                        if (debug) {
                            r.setFinishTime(new Date());
                            taskLogger.debug("Worker<" + index
                                    + "> finish task<" + r.getTaskId() + ">");
                            if (r.getFinishTime().getTime()
                                    - r.getBeginExceuteTime().getTime() > 1000)
                                taskLogger.debug("longer execution time. "
                                        + r.info() + ",<" + index + ">,time:"
                                        + (r.getFinishTime().getTime() - r
                                                .getBeginExceuteTime().getTime()));
                        }
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                        logger.error(e);
                    }
                    isWaiting = true;
                    r = null;
                }
            }
        }
    }
}

/** 任务接口类 **/

package org.ymcn.util;

import java.util.Date;

/**
* 全部任务接口
* 其它任务必须继承訪类
*
* @author obullxl
*/
public abstract class Task implements Runnable {
    // private static Logger logger = Logger.getLogger(Task.class);
    /* 产生时间 */
    private Date generateTime = null;
    /* 提交运行时间 */
    private Date submitTime = null;
    /* 開始运行时间 */
    private Date beginExceuteTime = null;
    /* 运行完毕时间 */
    private Date finishTime = null;

    private long taskId;

    public Task() {
        this.generateTime = new Date();
    }

    /**
    * 任务运行入口
    */
    public void run() {
        /**
        * 相关运行代码
        *
        * beginTransaction();
        *
        * 运行过程中可能产生新的任务 subtask = taskCore();
        *
        * commitTransaction();
        *
        * 添加新产生的任务 ThreadPool.getInstance().batchAddTask(taskCore());
        */
    }

    /**
    * 全部任务的核心 所以特别的业务逻辑运行之处
    *
    * @throws Exception
    */
    public abstract Task[] taskCore() throws Exception;

    /**
    * 是否用到数据库
    *
    * @return
    */
    protected abstract boolean useDb();

    /**
    * 是否须要马上运行
    *
    * @return
    */
    protected abstract boolean needExecuteImmediate();

    /**
    * 任务信息
    *
    * @return String
    */
    public abstract String info();

    public Date getGenerateTime() {
        return generateTime;
    }

    public Date getBeginExceuteTime() {
        return beginExceuteTime;
    }

    public void setBeginExceuteTime(Date beginExceuteTime) {
        this.beginExceuteTime = beginExceuteTime;
    }

    public Date getFinishTime() {
        return finishTime;
    }

    public void setFinishTime(Date finishTime) {
        this.finishTime = finishTime;
    }

    public Date getSubmitTime() {
        return submitTime;
    }

    public void setSubmitTime(Date submitTime) {
        this.submitTime = submitTime;
    }

    public long getTaskId() {
        return taskId;
    }

    public void setTaskId(long taskId) {
        this.taskId = taskId;
    }

}