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
- 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); }
- 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。
- 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。
- 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); }
- 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(); } } }
- 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
- 演示
总结
jdk中的线程池实现远比这里手写的要复杂，里面还涉及救急线程、各种内置的拒绝策略以及不同的队列容器等等，但是他们的思想基本一致的，通过这个练习，在后面阅读线程池源码的时候会有很大的帮助。
