小米麪試：如何實現優先級線程池？

我們知道，線程池中的所有線程都是由統一的線程工廠來創建的，當我們指定線程工廠時，線程池中的所有線程會使用我們指定的線程工廠來創建線程；但如果沒有指定線程工廠，則會使用默認的線程工廠 DefaultThreadFactory 來創建線程，核心源碼如下：

DefaultThreadFactory() {
    @SuppressWarnings("removal")
    SecurityManager s = System.getSecurityManager();
    group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
                          Thread.currentThread().getThreadGroup();
    namePrefix = "pool-" +
                  poolNumber.getAndIncrement() +
                 "-thread-";
}

那麼問題來了，面試官問的是“如何實現優先級線程池？”，爲什麼我們一上來先講了線程工廠呢？

這是因爲，當我們講到線程池優先級的時候，我們首先會想到線程的優先級，所以按照慣性思考，當面試官問到如何使用實現優先級線程池時，我們首先會考慮是不是在創建線程池的時候，可以通過某種方法來創建不同的線程優先級，從而實現優先級線程池？這就是開頭我們一上來就講線程工廠的原因。

那在線程工廠中如何設置線程的優先級呢？

它的設置也比較簡單，如下代碼所示：

import java.util.concurrent.ThreadFactory;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class CustomThreadPoolExecutorDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 自定義線程工廠
        ThreadFactory threadFactory = new CustomThreadFactory();
        // 創建線程池
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(2, 2, 0, 
                                                             TimeUnit.MILLISECONDS, 
                                                             new LinkedBlockingQueue<>(), 
                                                             threadFactory);
        // 提交任務
        executor.execute(() -> System.out.println("Task 1"));
        executor.execute(() -> System.out.println("Task 2"));
        // 關閉線程池
        executor.shutdown();
    }

    static class CustomThreadFactory implements ThreadFactory {
        @Override
        public Thread newThread(Runnable r) {
            Thread thread = new Thread(r);
            // 設置線程優先級爲最低優先級
            thread.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY); 
            return thread;
        }
    }
}

但是這種方式也有問題，那就是線程工廠是統一的，所以即使能在線程工廠中設置線程的優先級，那麼也是將整個線程池中的所有線程都設置成統一的優先級了，而不能解決咱們本文提出的問題的，那如何才能實現優先級線程池呢？

1.優先級線程池實現思路

轉念一想，既然不能在線程優先級上下功夫，但我們是否可以在線程池的任務隊列上動點心思呢？

此時我們想到，可以使用 PriorityBlockingQueue 優先級隊列來對任務進行排序啊（PriorityBlockingQueue 天生支持按照優先級自動排序任務的），這樣不就能保證優先級高的任務會被線程池優先獲取並執行了嘛！

所以，有時候一條路走不通的時候，我們可以嘗試換一個思路再試試。

2.優先級隊列使用

我們先來測試一下 PriorityBlockingQueue 的使用，以嘗試其可行性，示例代碼如下：

import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;

public class PriorityBlockingQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        PriorityBlockingQueue<Task> priorityQueue = new PriorityBlockingQueue<>();

        // 添加任務到優先級隊列
        priorityQueue.add(new Task("Task 1", 1));
        priorityQueue.add(new Task("Task 4", 4));
        priorityQueue.add(new Task("Task 3", 3));
        priorityQueue.add(new Task("Task 2", 2));

        // 從優先級隊列中取出任務並執行
        while (!priorityQueue.isEmpty()) {
            Task task = priorityQueue.poll();
            if (task != null) {
                task.execute();
            }
        }
    }

    static class Task implements Comparable<Task> {
        private String name;
        private int priority;

        public Task(String name, int priority) {
            this.name = name;
            this.priority = priority;
        }

        public void execute() {
            System.out.println("Executing task: " + name);
        }

        @Override
        public int compareTo(Task o) {
            return Integer.compare(this.priority, o.priority);
        }
    }
}

以上程序的執行結果如下：

從上述結果和代碼可以看出，我們添加任務的順序是：1、4、3、2，但最終會按照優先級排隊執行的順序是：1、2、3、4，執行結果符合我們的預期，優先級高的任務先被執行了（數字越小，優先級越高）。

3.優先級線程池

因此，我們實現的優先級線程池的最終代碼如下：

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class PriorityThreadPool {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Runnable> queue = new PriorityBlockingQueue<>(1000);

        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                0, TimeUnit.SECONDS, queue
        );

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            int finalI = i;
            executor.execute(new PriorityTask(i, () -> {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println("優先級：" + finalI);
            }));
        }
    }

    static class PriorityTask implements Runnable, Comparable<PriorityTask> {
        private final int priority;
        private final Runnable task;

        public PriorityTask(int priority, Runnable task) {
            this.priority = priority;
            this.task = task;
        }

        @Override
        public void run() {
            task.run();
        }

        @Override
        public int compareTo(PriorityTask other) {
            // 優先級高的任務應該排在前面（數字越小優先級越大）
            return Integer.compare(this.priority, other.priority);
        }
    }
}

以上程序執行結果如下：

從上述結果可以看出，線程池是完全按照優先級從高到低的順序執行的（數字越小優先級越高），如果將 compareTo 中的排序方法倒置之後，那麼線程池的執行順序就完全相反了，可見使用 PriorityBlockingQueue 實現優先級線程池的效果非常顯著。

課後思考

那麼問題來了，PriorityBlockingQueue 在併發環境下會有線程安全問題嗎？PriorityBlockingQueue 底層是如何保證線程安全的？

本文已收錄到我的面試小站 www.javacn.site，其中包含的內容有：Redis、JVM、併發、併發、MySQL、Spring、Spring MVC、Spring Boot、Spring Cloud、MyBatis、設計模式、消息隊列等模塊。