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剑指JUC原理-12.手写简易版线程池思路

2024-01-08 27
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简介： 剑指JUC原理-12.手写简易版线程池思路

自定义线程池

线程是一个系统资源，没创建一个新的线程就会占用一定的内存，会用栈内存，如果是高并发情况下，一下子来了很多任务，如果我为每个认为都创建一个新的线程，对内存的占用是非常大的，甚至可能会出现内存泄漏问题。


自定义线程池其实包含几个组件：


生产者，消费者，阻塞队列，两边的速率由阻塞队列等待。


线程也并不是创建的越多越好，大量的任务来了，创建了很多的线程，cpu一共就几个核，一下子来了那么多的线程，cpu忙不过来，必然让获取不到cpu时间片的线程，陷入阻塞，会引起线程上下文切换，把当前线程的状态保存下来，下次轮到的时候再取出来并恢复。线程上下文切换频繁，对系统性能应该很大。


基于上述两个原因，并不是每次都要创建新的线程，而是基于已有线程的潜力，去处理任务，而不是每次都创建新的。这也是享元模式的思想。

其实从上图就可以分析出来了，简易版本的线程池 有 生产者、消费者、阻塞队列。


其中我们需要实现的部分是 消费者 和 阻塞队列。


任务队列


接下来会在代码中 详解思路

class BlockingQueue<T> {
    // 首先定义最基本的，也就是任务队列、锁（对队列进行操作时需要用锁去控制）、生产者消费者变量（实际上之所以使用Lock 而不是 Synchronized的优势就是 wait 和 notify释放的方式是随机的，而 await signal是指定的，且Synchronized 只有一个waitset，而Lock可以指定多个条件变量，代码整洁度更加的明显）
    // 1. 任务队列
    private Deque<T> queue = new ArrayDeque<>();
    // 2. 锁
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // 3. 生产者条件变量
    private Condition fullWaitSet = lock.newCondition();
    // 4. 消费者条件变量
    private Condition emptyWaitSet = lock.newCondition();
    // 5. 容量
    private int capcity;
    public BlockingQueue(int capcity) {
        this.capcity = capcity;
    }
    // 阻塞分为 不带超时时间 和 带超时时间版本，其实就是当我们获取时 是一直阻塞等待还是超时结束，这里面分别调用不同的API，比如 await 和 awaitNanos
    // 带超时阻塞获取
    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 (queue.isEmpty()) {
                try {
                    // 返回值是剩余时间
                    if (nanos <= 0) {
                        return null;
                    }
                    nanos = emptyWaitSet.awaitNanos(nanos);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            T t = queue.removeFirst();
            fullWaitSet.signal();
            return t;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    // 阻塞获取
    public T take() {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.isEmpty()) {
                try {
                    emptyWaitSet.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            T t = queue.removeFirst();
            fullWaitSet.signal();
            return t;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    // 与阻塞获取同理
    // 阻塞添加
    public void put(T task) {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.size() == capcity) {
                try {
                    System.out.println("等待加入任务队列  "+ task);
                    fullWaitSet.await();
                    /**
                     这里面其实是有一个点需要注意的，就是 其实 await 这次阻塞的是主线程，本质上，await还是会阻塞 并释放锁的。
                     */
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("加入任务队列 "+ task);
            queue.addLast(task);
            emptyWaitSet.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    // 带超时时间阻塞添加
    public boolean offer(T task, long timeout, TimeUnit timeUnit) {
        lock.lock();
        try {
            long nanos = timeUnit.toNanos(timeout);
            while (queue.size() == capcity) {
                try {
                    if(nanos <= 0) {
                        return false;
                    }
                    System.out.println("等待加入任务队列 "+ task);
                    nanos = fullWaitSet.awaitNanos(nanos);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("加入任务队列 "+ task);
            queue.addLast(task);
            emptyWaitSet.signal();
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public int size() {
        lock.lock();
        try {
            return queue.size();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

线程池

class ThreadPool {
    // 目前该版本的是不带拒绝策略的线程池，所以需要的参数有 核心线程数、任务队列、超时时间、单位
    // 任务队列
    private BlockingQueue<Runnable> taskQueue;
    // 线程集合
    private HashSet<Worker> workers = new HashSet<>();
    // 核心线程数
    private int coreSize;
    // 获取任务时的超时时间
    private long timeout;
    private TimeUnit timeUnit;
    // 执行任务
    public void execute(Runnable task) {
        // 当任务数没有超过 coreSize 时，直接交给 worker 对象执行
        // 如果任务数超过 coreSize 时，加入任务队列暂存
        synchronized (workers) {
            if(workers.size() < coreSize) {
                Worker worker = new Worker(task);
                System.out.println("新增 worker "+ worker + "    " + task);
                workers.add(worker);
                worker.start();
            } else {
                taskQueue.put(task);
            }
        }
    }
    public ThreadPool(int coreSize, long timeout, TimeUnit timeUnit, int queueCapcity) {
        this.coreSize = coreSize;
        this.timeout = timeout;
        this.timeUnit = timeUnit;
        this.taskQueue = new BlockingQueue<>(queueCapcity);
    }
    class Worker extends Thread{
        private Runnable task;
        public Worker(Runnable task) {
            this.task = task;
        }
        @Override
        public void run() {
            // 执行任务
            // 1) 当 task 不为空，执行任务
            // 2) 当 task 执行完毕，再接着从任务队列获取任务并执行
//             while(task != null || (task = taskQueue.take()) != null) {
            while(task != null || (task = taskQueue.poll(timeout, timeUnit)) != null) {
                try {
                    System.out.println("正在执行 "+task);
                    task.run();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    task = null;
                }
            }
            synchronized (workers) {
                System.out.println("worker 被移除"+ this);
                workers.remove(this);
            }
        }
    }
}


多维度测试


阻塞版


    ThreadPool threadPool = new ThreadPool(2, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS, 10);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            int j = i;
            threadPool.execute(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(1000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(j);
            });
        }

输出：

新增 worker Thread[Thread-0,5,main]    test2$$Lambda$1/1831932724@448139f0
新增 worker Thread[Thread-1,5,main]    test2$$Lambda$1/1831932724@7ba4f24f
加入任务队列 test2$$Lambda$1/1831932724@7699a589
正在执行 test2$$Lambda$1/1831932724@448139f0
正在执行 test2$$Lambda$1/1831932724@7ba4f24f
加入任务队列 test2$$Lambda$1/1831932724@58372a00
加入任务队列 test2$$Lambda$1/1831932724@4dd8dc3
1
0
正在执行 test2$$Lambda$1/1831932724@7699a589
正在执行 test2$$Lambda$1/1831932724@58372a00
3
2
正在执行 test2$$Lambda$1/1831932724@4dd8dc3
4
... 未退出

首先分析一下这个结果流程（后面的结果大体思路一致，故不做分析！！！）


前两行打印 ”新增 …“ 其实是因为 执行execute 方法时走了 if逻辑，创建了两个线程，故打印


而其余的三个线程因为 走了else逻辑，最终执行put方法，打印 ”加入任务队列“


两句 ”正在执行“ 是因为 符合 worker线程中的 while逻辑，故 打印”正在执行…“


然后 前两个线程 执行完了，输出 0 1


此时，这两个线程 中的while条件 while(task != null || (task = taskQueue.take()) != null) 中，task = taskQueue.take() 阻塞获取新的任务，获取了两个新的线程，然后 打印”正在执行…“ 输出 2 3


最后又执行while逻辑，将最后一个任务 执行，并打印，而两个线程继续执行while里面的 阻塞获取，程序并未退出！！！


之所以会是这个结果，是因为前面这里是这样设置的

class Worker extends Thread{
        private Runnable task;
        public Worker(Runnable task) {
            this.task = task;
        }
        @Override
        public void run() {
            // 执行任务
            // 1) 当 task 不为空，执行任务
            // 2) 当 task 执行完毕，再接着从任务队列获取任务并执行
             while(task != null || (task = taskQueue.take()) != null) {
            //while(task != null || (task = taskQueue.poll(timeout, timeUnit)) != null) {
                try {
                    System.out.println("正在执行 "+task);
                    task.run();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    task = null;
                }
            }
            synchronized (workers) {
                System.out.println("worker 被移除"+ this);
                workers.remove(this);
            }
        }
    }


超时阻塞版


想实现，故使用超时阻塞获取的办法即可

class Worker extends Thread{
        private Runnable task;
        public Worker(Runnable task) {
            this.task = task;
        }
        @Override
        public void run() {
            // 执行任务
            // 1) 当 task 不为空，执行任务
            // 2) 当 task 执行完毕，再接着从任务队列获取任务并执行
             //while(task != null || (task = taskQueue.take()) != null) {
            while(task != null || (task = taskQueue.poll(timeout, timeUnit)) != null) {
                try {
                    System.out.println("正在执行 "+task);
                    task.run();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    task = null;
                }
            }
            synchronized (workers) {
                System.out.println("worker 被移除"+ this);
                workers.remove(this);
            }
        }
    }

输出：

新增 worker Thread[Thread-0,5,main]    test2$$Lambda$1/1831932724@448139f0
新增 worker Thread[Thread-1,5,main]    test2$$Lambda$1/1831932724@7ba4f24f
正在执行 test2$$Lambda$1/1831932724@448139f0
加入任务队列 test2$$Lambda$1/1831932724@7699a589
正在执行 test2$$Lambda$1/1831932724@7ba4f24f
加入任务队列 test2$$Lambda$1/1831932724@58372a00
加入任务队列 test2$$Lambda$1/1831932724@4dd8dc3
0
1
正在执行 test2$$Lambda$1/1831932724@7699a589
正在执行 test2$$Lambda$1/1831932724@58372a00
2
3
正在执行 test2$$Lambda$1/1831932724@4dd8dc3
4
worker 被移除Thread[Thread-1,5,main]
worker 被移除Thread[Thread-0,5,main]
Process finished with exit code 0


阻塞队列溢出版


有一个这样的场景，假设设置核心数为2 等待队列长度为10，而此时15个人任务都来了，那么剩下的3个怎么处理呢？

for (int i = 0; i < 15; i++) {
            int j = i;
            threadPool.execute(() -> {
                try {
                    // 将时间拉长，不能一下子执行完
                    Thread.sleep(10000000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(j);
            });
        }

输出：

新增 worker Thread[Thread-0,5,main]    test2$$Lambda$1/1831932724@448139f0
新增 worker Thread[Thread-1,5,main]    test2$$Lambda$1/1831932724@7ba4f24f
正在执行 test2$$Lambda$1/1831932724@448139f0
正在执行 test2$$Lambda$1/1831932724@7ba4f24f
加入任务队列 test2$$Lambda$1/1831932724@7699a589
加入任务队列 test2$$Lambda$1/1831932724@58372a00
加入任务队列 test2$$Lambda$1/1831932724@4dd8dc3
加入任务队列 test2$$Lambda$1/1831932724@6d03e736
加入任务队列 test2$$Lambda$1/1831932724@568db2f2
加入任务队列 test2$$Lambda$1/1831932724@378bf509
加入任务队列 test2$$Lambda$1/1831932724@5fd0d5ae
加入任务队列 test2$$Lambda$1/1831932724@2d98a335
加入任务队列 test2$$Lambda$1/1831932724@16b98e56
加入任务队列 test2$$Lambda$1/1831932724@7ef20235
等待加入任务队列  test2$$Lambda$1/1831932724@27d6c5e0
... 未退出

其实本质上是一样的，但是需要着重分析下，实际的流程是这样的

public void execute(Runnable task) {
        // 当任务数没有超过 coreSize 时，直接交给 worker 对象执行
        // 如果任务数超过 coreSize 时，加入任务队列暂存
        synchronized (workers) {
            if(workers.size() < coreSize) {
                Worker worker = new Worker(task);
                System.out.println("新增 worker "+ worker + "    " + task);
                workers.add(worker);
                worker.start();
            } else {
                taskQueue.put(task);
            }
        }
    }

// 阻塞添加
    public void put(T task) {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.size() == capcity) {
                try {
                    System.out.println("等待加入任务队列  "+ task);
                    fullWaitSet.await();
                    /**
                     这里面其实是有一个点需要注意的，就是 其实 await 这次阻塞的是主线程，本质上，await还是会阻塞 并释放锁的。
                     */
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("加入任务队列 "+ task);
            queue.addLast(task);
            emptyWaitSet.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

可以分析到，后13个线程都去执行了put，而这其中的前十次都能逐步的获取锁插入，而第十一次就执行await卡死，没有第十二次和第十三次的输出了。在学习前面章节的时候我们知道，await其实和wait很像，一旦执行就会阻塞，并且释放锁，等到将来苏醒了再去竞争锁。但是为什么没有第十二次和第十三次的输出呢？


这个的原因要从main函数看：

  ThreadPool threadPool = new ThreadPool(2, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS, 10);
        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            int j = i;
            threadPool.execute(() -> {
                try {
                    // 将时间拉长，不能一下子执行完
                    Thread.sleep(10000000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(j);
            });
        }

它并不是执行了多个线程，如果在多线程的情况下，await会释放锁，请看这个例子

static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    static Condition waitCigaretteQueue = lock.newCondition();
    static Condition waitbreakfastQueue = lock.newCondition();
    static volatile boolean hasCigrette = false;
    static volatile boolean hasBreakfast = false;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            try {
                lock.lock();
                while (!hasCigrette) {
                    try {
                        System.out.println("烟");
                        waitCigaretteQueue.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("等到了它的烟");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }).start();
        new Thread(() -> {
            try {
                lock.lock();
                while (!hasBreakfast) {
                    try {
                        System.out.println("早餐");
                        waitbreakfastQueue.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("等到了它的早餐");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }).start();
        Thread.sleep(10000);
        sendBreakfast();
        Thread.sleep(10000);
        sendCigarette();
    }
    private static void sendCigarette() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("送烟来了");
            hasCigrette = true;
            waitCigaretteQueue.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    private static void sendBreakfast() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("送早餐来了");
            hasBreakfast = true;
            waitbreakfastQueue.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

该例子的输出能够很有效的证明这一点，所以关于await这部分需要注意！！！


拒绝策略版


实际上，阻塞队列溢出，一直阻塞就相当于一种拒绝策略！


定义拒绝策略


@FunctionalInterface // 拒绝策略
interface RejectPolicy<T> {
    void reject(BlockingQueue<T> queue, T task);
}


阻塞队列补充


public void tryPut(RejectPolicy<T> rejectPolicy, T task) {
        lock.lock();
        try {
            // 判断队列是否满
            if(queue.size() == capcity) {
                rejectPolicy.reject(this, task);
            } else { // 有空闲
                System.out.println("加入任务队列 "+ task);
                queue.addLast(task);
                emptyWaitSet.signal();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

可以看到，核心的拒绝策略是用户自己提供的


线程池补充


private RejectPolicy<Runnable> rejectPolicy;
public ThreadPool(int coreSize, long timeout, TimeUnit timeUnit, int queueCapcity,
                      RejectPolicy<Runnable> rejectPolicy) {
        this.coreSize = coreSize;
        this.timeout = timeout;
        this.timeUnit = timeUnit;
        this.taskQueue = new BlockingQueue<>(queueCapcity);
        this.rejectPolicy = rejectPolicy;
    }
public void execute(Runnable task) {
        // 当任务数没有超过 coreSize 时，直接交给 worker 对象执行
        // 如果任务数超过 coreSize 时，加入任务队列暂存
        synchronized (workers) {
            if(workers.size() < coreSize) {
                Worker worker = new Worker(task);
                System.out.println("新增 worker "+ worker + "    " + task);
                workers.add(worker);
                worker.start();
            } else {
                //taskQueue.put(task);
                // 1) 死等
                // 2) 带超时等待
                // 3) 让调用者放弃任务执行
                // 4) 让调用者抛出异常
                // 5) 让调用者自己执行任务
                taskQueue.tryPut(rejectPolicy, task);
            }
        }
    }


运行


ThreadPool threadPool = new ThreadPool(1,
                    1000, TimeUnit.MILLISECONDS, 1, (queue, task)->{
                // 1. 死等
         queue.put(task);
                // 2) 带超时等待
        // queue.offer(task, 1500, TimeUnit.MILLISECONDS);
                // 3) 让调用者放弃任务执行
        // log.debug("放弃{}", task);
                // 4) 让调用者抛出异常
        // throw new RuntimeException("任务执行失败 " + task);
                // 5) 让调用者自己执行任务
                //task.run();
            });
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            int j = i;
            threadPool.execute(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(10000000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(j);
            });
        }


死等


新增 worker Thread[Thread-0,5,main]    test2$$Lambda$2/2093631819@58372a00
加入任务队列 test2$$Lambda$2/2093631819@6d03e736
等待加入任务队列  test2$$Lambda$2/2093631819@568db2f2
正在执行 test2$$Lambda$2/2093631819@58372a00
...死等

可以看到，第三个线程确实死等了


带超时等待


ThreadPool threadPool = new ThreadPool(1,
                    1000, TimeUnit.MILLISECONDS, 1, (queue, task)->{
                // 1. 死等
        // queue.put(task);
                // 2) 带超时等待
         queue.offer(task, 500, TimeUnit.MILLISECONDS);
                // 3) 让调用者放弃任务执行
        // log.debug("放弃{}", task);
                // 4) 让调用者抛出异常
        // throw new RuntimeException("任务执行失败 " + task);
                // 5) 让调用者自己执行任务
                //task.run();
            });
for (int i = 0; i < 3; i++) {
            int j = i;
            threadPool.execute(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(1000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(j);
            });
        }

输出：

新增 worker Thread[Thread-0,5,main]    test2$$Lambda$2/2093631819@58372a00
加入任务队列 test2$$Lambda$2/2093631819@6d03e736
等待加入任务队列 test2$$Lambda$2/2093631819@568db2f2
正在执行 test2$$Lambda$2/2093631819@58372a00
0
正在执行 test2$$Lambda$2/2093631819@6d03e736
1
worker 被移除Thread[Thread-0,5,main]

可以看到 第三个任务确实取消了


让调用者放弃任务执行


输出：

新增 worker Thread[Thread-0,5,main]    test2$$Lambda$2/2093631819@58372a00
加入任务队列 test2$$Lambda$2/2093631819@6d03e736
放弃 test2$$Lambda$2/2093631819@568db2f2
正在执行 test2$$Lambda$2/2093631819@58372a00
0
正在执行 test2$$Lambda$2/2093631819@6d03e736
1
worker 被移除Thread[Thread-0,5,main]


让调用者抛出异常


输出：

新增 worker Thread[Thread-0,5,main]    test2$$Lambda$2/2093631819@58372a00
加入任务队列 test2$$Lambda$2/2093631819@6d03e736
正在执行 test2$$Lambda$2/2093631819@58372a00
Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: 任务执行失败 test2$$Lambda$2/2093631819@568db2f2
  at test2.lambda$main$0(test2.java:53)
  at BlockingQueue.tryPut(test2.java:200)
  at ThreadPool.execute(test2.java:247)
  at test2.main(test2.java:60)
0
正在执行 test2$$Lambda$2/2093631819@6d03e736
1
worker 被移除Thread[Thread-0,5,main]


让调用者自己执行任务


输出：

新增 worker Thread[Thread-0,5,main]    test2$$Lambda$2/2093631819@58372a00
加入任务队列 test2$$Lambda$2/2093631819@6d03e736
正在执行 test2$$Lambda$2/2093631819@58372a00
0
2
正在执行 test2$$Lambda$2/2093631819@6d03e736
1
worker 被移除Thread[Thread-0,5,main]

可以看到 0 2同时输出了，2是主线程执行的

文章标签：
Java
关键词：
juc线程
倪虹升
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