100行Java代碼構建一個線程池

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，線程來源於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，而且各自佔有不同的系統資源（例如文件、環境變量等等）。與此不同，線程不能單獨存在，它依附於進程，只能由進程派生。如果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爲用戶級線程（由進程自已來管理）和系統級線程（由操作系統的調度程序來管理）。

　　既然有了進程，爲什麼還要提出線程的概念呢？因爲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，對於一些小型的應用，可能感覺不到這點，但對於那些併發進程數特別多的應用，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，而採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麼一回事？其實線程池的原理很簡單，類似於操作系統中的緩衝區的概念，它的流程如下：先啓動若干數量的線程，並讓這些線程都處於睡眠狀態，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，當處理完這個請求後，線程又處於睡眠狀態。可能你也許會問：爲什麼要搞得這麼麻煩，如果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，因爲它能使得你編寫代碼相對容易一些，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，高峯期每秒的客戶端請求併發數超過100，如果爲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，如果採用一個擁有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燬。

　　既然一切都明白了，那我們就開始着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，爲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，我採用了JAVA語言來實現它，由於JAVA語言是一種跨平臺的語言，因此你不必爲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，因此能夠讓你更清晰地瞭解線程池的原理，如果你注意看一下本文的標題，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，然後提示你從鍵盤上輸入字符串，並按下回車鍵，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，如果你快速地輸入一行行字符串，那麼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，如果線程池中沒有可用線程了，系統會提示你相應的警告信息，但如果你稍等片刻，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，它是一個用於管理線程池的類，它的主要職責是初始化線程池，併爲客戶端的請求分配不同的線程來進行處理，如果線程池滿了，它會對你發出警告信息。

　　最後一個類是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於睡眠狀態，但如果它接受到了ThreadPoolManager類發過來的調度信息，則會將自己喚醒，並對請求進行處理。


　　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 }



　　由於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，我們創建了一個名爲manager的類，它給ThreadPoolManager類的構造函數傳遞了一個值爲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，並將鍵入的字符串保存在s變量中，並調用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，然後再看它的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表示用於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：如果你用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，閒話少說，第19－24行的循環完成這樣一個功能：先創建一個新的SimpleThread類，然後將它放入vector中去，最後用thread.start()來啓動這個線程，爲什麼要用start()方法來啓動線程呢？因爲這是JAVA語言中所規定的，如果你不用的話，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，並檢查它是否處於激活狀態（所謂激活狀態是指此線程是否正在處理客戶端的請求），如果處於激活狀態的話，那繼續查找vector數組的下一項，如果vector數組中所有的線程都處於激活狀態的話，那它會打印出一條信息，提示用戶稍候再試。相反如果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，然後將客戶端的請求，即字符串argument轉發給SimpleThread類的setArgument()方法進行處理，並調用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後一個類：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 while(true)
35 {
36 if(!runningFlag)
37 {
38 this.wait();
39 }
40 else
41 {
42 System.out.println("processing " + getArgument() + "... done.");
43 sleep(5000);
44 System.out.println("Thread is sleeping...");
45 setRunning(false);
46 }
47 }
48 } catch(InterruptedException e){
49 System.out.println("Interrupt");
50 }
51 }//end of run()
52 }//end of class SimpleThread

　　如果你對JAVA的線程編程有些不太明白的話，那我先在這裏簡單地講解一下，JAVA有一個名爲Thread的類，如果你要創建一個線程，則必須要從Thread類中繼承，並且還要實現Thread類的run()接口，要激活一個線程，必須調用它的start()方法，start()方法會自動調用run()接口，因此用戶必須在run()接口中寫入自己的應用處理邏輯。那麼我們怎麼來控制線程的睡眠與喚醒呢？其實很簡單，JAVA語言爲所有的對象都內置了wait()和notify()方法，當一個線程調用wait()方法時，則線程進入睡眠狀態，就像停在了當前代碼上了，也不會繼續執行它以下的代碼了，當調用notify()方法時，則會從調用wait()方法的那行代碼繼續執行以下的代碼，這個過程有點像編譯器中的斷點調試的概念。以本程序爲例，第38行調用了wait()方法，則這個線程就像凝固了一樣停在了38行上了，如果我們在第13行進行一個notify()調用的話，那線程會從第38行上喚醒，繼續從第39行開始執行以下的代碼了。

　　通過以上的講述，我們現在就不難理解SimpleThread類了，第9－14行通過設置一個標誌runningFlag激活當前線程，第25－29行是SimpleThread類的構造函數，它用來告訴客戶端啓動的是第幾號進程。第31－50行則是我實現的run()接口，它實際上是一個無限循環，在循環中首先判斷一下標誌runningFlag，如果沒有runningFlag爲false的話，那線程處理睡眠狀態，否則第42－45行會進行真正的處理：先打印用戶鍵入的字符串，然後睡眠5秒鐘，爲什麼要睡眠5秒鐘呢？如果你不加上這句代碼的話，由於計算機處理速度遠遠超過你的鍵盤輸入速度，因此你看到的總是第1號線程來處理你的請求，從而達不到演示效果。最後第45行調用setRunning()方法又將線程置於睡眠狀態，等待新請求的到來。

　　最後還有一點要注意的是，如果你在一個方法中調用了wait()和notify()函數，那你一定要將此方法置爲同步的，即synchronized，否則在編譯時會報錯，並得到一個莫名其妙的消息：“current thread not owner”（當前線程不是擁有者）。

　　至此爲止，我們完整地實現了一個線程池，當然，這個線程池只是簡單地將客戶端輸入的字符串打印到了屏幕上，而沒有做任何處理，對於一個真正的企業級運用，本例還是遠遠不夠的，例如錯誤處理、線程的動態調整、性能優化、臨界區的處理、客戶端報文的定義等等都是值得考慮的問題，但本文的目的僅僅只是讓你瞭解線程池的概念以及它的簡單實現，如果你想成爲這方面的高手，本文是遠遠不夠的，你應該參考一些更多的資料來深入地瞭解它。