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。
/**
* <p>自定义任务队列, 用来存放任务 </p>
*
* @author: cxw (332059317@qq.com)
* @date: 2022/10/18 10:15
* @version: 1.0.0
*/
@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
/**
* <p>定义一个执行器的接口：</p>
*
* @author: cxw (332059317@qq.com)
* @date: 2022/10/18 12:31
* @version: 1.0.0
*/
public interface Executor {
/**
* 提交任务执行
* @param task 任务
*/
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 {
/**
* 任务队列
*/
private BlockingQueue<Runnable> taskQueue;
/**
* 核心工作线程数
*/
private int coreSize;
/**
* 工作线程集合
*/
private Set<Worker> workers = new HashSet<>();
/**
* 创建线程池
* @param coreSize 工作线程数量
* @param capcity 阻塞队列容量
*/
public ThreadPool(int coreSize, int capcity) {
this.coreSize = coreSize;
this.taskQueue = new BlockingQueue<>(capcity);
}
/**
* 提交任务执行
*/
@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);
}
}
}
/**
* 工作线程，对执行的任务做了一层包装处理
*/
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
/**
* <p>拒绝策略的函数式接口：</p>
*
* @author: cxw (332059317@qq.com)
* @date: 2022/10/18 13:15
* @version: 1.0.0
*/
@FunctionalInterface
public interface RejectPolicy<T> {
/**
* 拒绝策略的接口
* @param queue
* @param task
*/
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> {
........
/**
* 尝试添加任务
* @param rejectPolicy
* @param task
*/
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 {
.....
/**
* 拒绝策略
*/
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;
}
/**
* 提交任务执行
*/
@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Devmax其它相关文章！