1100行代碼設計一個線程池

2019-11-18 12:21:20

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供稿：網友

　　在現代的操作系統中，有一個很重要的概念――線程，幾乎所有目前流行的操作系統都支持線程，線程來源于操作系統中進程的概念，進程有自己的虛擬地址空間以及正文段、數據段及堆棧，而且各自占有不同的系統資源（例如文件、環境變量等等）。與此不同，線程不能單獨存在，它依附于進程，只能由進程派生。假如一個進程派生出了兩個線程，那這兩個線程共享此進程的全局變量和代碼段，但每個線程各擁有各自的堆棧，因此它們擁有各自的局部變量，線程在UNIX系統中還被進一步分為用戶級線程（由進程自已來治理）和系統級線程（由操作系統的調度程序來治理）。
　　
　　既然有了進程，為什么還要提出線程的概念呢？因為與創建一個新的進程相比，創建一個線程將會耗費小得多的系統資源，對于一些小型的應用，可能感覺不到這點，但對于那些并發進程數非凡多的應用，使用線程會比使用進程獲得更好的性能，從而降低操作系統的負擔。另外，線程共享創建它的進程的全局變量，因此線程間的通訊編程會更將簡單，完全可以拋棄傳統的進程間通訊的ipC編程，而采用共享全局變量來進行線程間通訊。
　　
　　有了上面這個概念，我們下面就進入正題，來看一下線程池究竟是怎么一回事？其實線程池的原理很簡單，類似于操作系統中的緩沖區的概念，它的流程如下：先啟動若干數量的線程，并讓這些線程都處于睡眠狀態，當客戶端有一個新請求時，就會喚醒線程池中的某一個睡眠線程，讓它來處理客戶端的這個請求，當處理完這個請求后，線程又處于睡眠狀態。可能你也許會問：為什么要搞得這么麻煩，假如每當客戶端有新的請求時，我就創建一個新的線程不就完了？這也許是個不錯的方法，因為它能使得你編寫代碼相對輕易一些，但你卻忽略了一個重要的問題――性能！就拿我所在的單位來說，我的單位是一個省級數據大集中的銀行網絡中心，高峰期每秒的客戶端請求并發數超過100，假如為每個客戶端請求創建一個新線程的話，那耗費的CPU時間和內存將是驚人的，假如采用一個擁有200個線程的線程池，那將會節約大量的的系統資源，使得更多的CPU時間和內存用來處理實際的商業應用，而不是頻繁的線程創建與銷毀。
　　
　　既然一切都明白了，那我們就開始著手實現一個真正的線程池吧，線程編程可以有多種語言來實現，例如C、C＋＋、java等等，但不同的操作系統提供不同的線程API接口，為了讓你能更明白線程池的原理而避免陷入煩瑣的API調用之中，我采用了JAVA語言來實現它，由于JAVA語言是一種跨平臺的語言，因此你不必為使用不同的操作系統而無法編譯運行本程序而苦惱，只要你安裝了JDK1.2以上的版本，都能正確地編譯運行本程序。另外JAVA語言本身就內置了線程對象，而且JAVA語言是完全面像對象的，因此能夠讓你更清楚地了解線程池的原理，假如你注重看一下本文的標題，你會發現整個示例程序的代碼只有大約100行。
　　
　　本示例程序由三個類構成，第一個是TestThreadPool類，它是一個測試程序，用來模擬客戶端的請求，當你運行它時，系統首先會顯示線程池的初始化信息，然后提示你從鍵盤上輸入字符串，并按下回車鍵，這時你會發現屏幕上顯示信息，告訴你某個線程正在處理你的請求，假如你快速地輸入一行行字符串，那么你會發現線程池中不斷有線程被喚醒，來處理你的請求，在本例中，我創建了一個擁有10個線程的線程池，假如線程池中沒有可用線程了，系統會提示你相應的警告信息，但假如你稍等片刻，那你會發現屏幕上會陸陸續續提示有線程進入了睡眠狀態，這時你又可以發送新的請求了。
　　
　　第二個類是ThreadPoolManager類，顧名思義，它是一個用于治理線程池的類，它的主要職責是初始化線程池，并為客戶端的請求分配不同的線程來進行處理，假如線程池滿了，它會對你發出警告信息。
　　
　　最后一個類是SimpleThread類，它是Thread類的一個子類，它才真正對客戶端的請求進行處理，SimpleThread在示例程序初始化時都處于睡眠狀態，但假如它接受到了ThreadPoolManager類發過來的調度信息，則會將自己喚醒，并對請求進行處理。
　　首先我們來看一下TestThreadPool類的源碼：
　　
　　//TestThreadPool.java
　　1 import java.io.*;
　　2
　　3
　　4 public class TestThreadPool
　　5 {
　　6 public static void main(String[] args)
　　7 {
　　8 try{
　　9 BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
　　10 String s;
　　11 ThreadPoolManager manager = new ThreadPoolManager(10);
　　12 while((s = br.readLine()) != null)
　　13 {
　　14 manager.PRocess(s);
　　15 }
　　16 }catch(IOException e){}
　　17 }
　　18 }
　　
　　由于此測試程序用到了輸入輸入類，因此第1行導入了JAVA的基本IO處理包，在第11行中，我們創建了一個名為manager的類，它給ThreadPoolManager類的構造函數傳遞了一個值為10的參數，告訴ThreadPoolManager類：我要一個有10個線程的池，給我創建一個吧！第12行至15行是一個無限循環，它用來等待用戶的鍵入，并將鍵入的字符串保存在s變量中，并調用ThreadPoolManager類的process方法來將這個請求進行處理。
　　
　　下面我們再進一步跟蹤到ThreadPoolManager類中去，以下是它的源代碼：
　　
　　//ThreadPoolManager.java
　　1 import java.util.*;
　　2
　　3
　　4 class ThreadPoolManager
　　5 {
　　6
　　7 private int maxThread;
　　8 public Vector vector;
　　9 public void setMaxThread(int threadCount)
　　10 {
　　11 maxThread = threadCount;
　　12 }
　　13
　　14 public ThreadPoolManager(int threadCount)
　　15 {
　　16 setMaxThread(threadCount);
　　17 System.out.println("Starting thread pool...");
　　18 vector = new Vector();
　　19 for(int i = 1; i <= 10; i++)
　　20 {
　　21 SimpleThread thread = new SimpleThread(i);
　　22 vector.addElement(thread);
　　23 thread.start();
　　24 }
　　25 }
　　26
　　27 public void process(String argument)
　　28 {
　　29 int i;
　　30 for(i = 0; i < vector.size(); i++)
　　31 {
　　32 SimpleThread currentThread = (SimpleThread)vector.elementAt(i);
　　33 if(!currentThread.isRunning())
　　34 {
　　35 System.out.println("Thread "+ (i+1) +" is processing:" +
　　argument);
　　36 currentThread.setArgument(argument);
　　37 currentThread.setRunning(true);
　　38 return;
　　39 }
　　40 }
　　41 if(i == vector.size())
　　42 {
　　43 System.out.println("pool is full, try in another time.");
　　44 }
　　45 }
　　46 }//end of class ThreadPoolManager
　　
　　我們先關注一下這個類的構造函數，然后再看它的process()方法。第16－24行是它的構造函數，首先它給ThreadPoolManager類的成員變量maxThread賦值，maxThread表示用于控制線程池中最大線程的數量。第18行初始化一個數組vector，它用來存放所有的SimpleThread類，這時候就充分體現了JAVA語言的優越性與藝術性：假如你用C語言的話，至少要寫100行以上的代碼來完成vector的功能，而且C語言數組只能容納類型統一的基本數據類型，無法容納對象。好了，閑話少說，第19－24行的循環完成這樣一個功能：先創建一個新的SimpleThread類，然后將它放入vector中去，最后用thread.start()來啟動這個線程，為什么要用start()方法來啟動線程呢？因為這是JAVA語言中所規定的，假如你不用的話，那這些線程將永遠得不到激活，從而導致本示例程序根本無法運行。
　　下面我們再來看一下process()方法，第30－40行的循環依次從vector數組中選取SimpleThread線程，并檢查它是否處于激活狀態（所謂激活狀態是指此線程是否正在處理客戶端的請求），假如處于激活狀態的話，那繼續查找vector數組的下一項，假如vector數組中所有的線程都處于激活狀態的話，那它會打印出一條信息，提示用戶稍候再試。相反假如找到了一個睡眠線程的話，那第35－38行會對此進行處理，它先告訴客戶端是哪一個線程來處理這個請求，然后將客戶端的請求，即字符串argument轉發給SimpleThread類的setArgument()方法進行處理，并調用SimpleThread類的setRunning()方法來喚醒當前線程，來對客戶端請求進行處理。
　　
　　可能你還對setRunning()方法是怎樣喚醒線程的有些不明白，那我們現在就進入最后一個類：SimpleThread類，它的源代碼如下：
　　
　　//SimpleThread.java
　　1 class SimpleThread extends Thread
　　2 {
　　3 private boolean runningFlag;
　　4 private String argument;
　　5 public boolean isRunning()
　　6 {
　　7 return runningFlag;
　　8 }
　　9 public synchronized void setRunning(boolean flag)
　　10 {
　　11 runningFlag = flag;
　　12 if(flag)
　　13 this.notify();
　　14 }
　　15
　　16 public String getArgument()
　　17 {
　　18 return this.argument;
　　19 }
　　20 public void setArgument(String string)
　　21 {
　　22 argument = string;
　　23 }
　　24
　　25 public SimpleThread(int threadNumber)
　　26 {
　　27 runningFlag = false;
　　28 System.out.println("thread " + threadNumber + "started.");
　　29 }
　　30
　　31 public synchronized void run()
　　32 {
　　33 try{
　　34 wh

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