Java代码构建一个线程池
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2024-02-22 08:20:04
在现代的操作系统中，有一个很重要的概念――线程，几乎所有目前流行的操作系统都支持线程，线程来源于操作系统中进程的概念，进程有自己的虚拟地址空间以及正文段、数据段及堆栈，而且...
在现代的操作系统中，有一个很重要的概念――线程，几乎所有目前流行的操作系统都支持线程，线程来源于操作系统中进程的概念，进程有自己的虚拟地址空间以及正文段、数据段及堆栈，而且各自占有不同的系统资源（例如文件、环境变量等等）。与此不同，线程不能单独存在，它依附于进程，只能由进程派生。如果一个进程派生出了两个线程，那这两个线程共享此进程的全局变量和代码段，但每个线程各拥有各自的堆栈，因此它们拥有各自的局部变量，线程在unix系统中还被进一步分为用户级线程（由进程自已来管理）和系统级线程（由操作系统的调度程序来管理）。
既然有了进程，为什么还要提出线程的概念呢？因为与创建一个新的进程相比，创建一个线程将会耗费小得多的系统资源，对于一些小型的应用，可能感觉不到这点，但对于那些并发进程数特别多的应用，使用线程会比使用进程获得更好的性能，从而降低操作系统的负担。另外，线程共享创建它的进程的全局变量，因此线程间的通讯编程会更将简单，完全可以抛弃传统的进程间通讯的ipc编程，而采用共享全局变量来进行线程间通讯。
有了上面这个概念，我们下面就进入正题，来看一下线程池究竟是怎么一回事？其实线程池的原理很简单，类似于操作系统中的缓冲区的概念，它的流程如下：先启动若干数量的线程，并让这些线程都处于睡眠状态，当客户端有一个新请求时，就会唤醒线程池中的某一个睡眠线程，让它来处理客户端的这个请求，当处理完这个请求后，线程又处于睡眠状态。可能你也许会问：为什么要搞得这么麻烦，如果每当客户端有新的请求时，我就创建一个新的线程不就完了？这也许是个不错的方法，因为它能使得你编写代码相对容易一些，但你却忽略了一个重要的问题――性能！就拿我所在的单位来说，我的单位是一个省级数据大集中的银行网络中心，高峰期每秒的客户端请求并发数超过100，如果为每个客户端请求创建一个新线程的话，那耗费的cpu时间和内存将是惊人的，如果采用一个拥有200个线程的线程池，那将会节约大量的的系统资源，使得更多的cpu时间和内存用来处理实际的商业应用，而不是频繁的线程创建与销毁。
既然一切都明白了，那我们就开始着手实现一个真正的线程池吧，线程编程可以有多种语言来实现，例如c、c＋＋、java等等，但不同的操作系统提供不同的线程api接口，为了让你能更明白线程池的原理而避免陷入烦琐的api调用之中，我采用了java语言来实现它，由于java语言是一种跨平台的语言，因此你不必为使用不同的操作系统而无法编译运行本程序而苦恼，只要你安装了jdk1.2以上的版本，都能正确地编译运行本程序。另外java语言本身就内置了线程对象，而且java语言是完全面像对象的，因此能够让你更清晰地了解线程池的原理，如果你注意看一下本文的标题，你会发现整个示例程序的代码只有大约100行。
本示例程序由三个类构成，第一个是testthreadpool类，它是一个测试程序，用来模拟客户端的请求，当你运行它时，系统首先会显示线程池的初始化信息，然后提示你从键盘上输入字符串，并按下回车键，这时你会发现屏幕上显示信息，告诉你某个线程正在处理你的请求，如果你快速地输入一行行字符串，那么你会发现线程池中不断有线程被唤醒，来处理你的请求，在本例中，我创建了一个拥有10个线程的线程池，如果线程池中没有可用线程了，系统会提示你相应的警告信息，但如果你稍等片刻，那你会发现屏幕上会陆陆续续提示有线程进入了睡眠状态，这时你又可以发送新的请求了。
第二个类是threadpoolmanager类，顾名思义，它是一个用于管理线程池的类，它的主要职责是初始化线程池，并为客户端的请求分配不同的线程来进行处理，如果线程池满了，它会对你发出警告信息。
最后一个类是simplethread类，它是thread类的一个子类，它才真正对客户端的请求进行处理，simplethread在示例程序初始化时都处于睡眠状态，但如果它接受到了threadpoolmanager类发过来的调度信息，则会将自己唤醒，并对请求进行处理。
首先我们来看一下testthreadpool类的源码：
//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 }
由于此测试程序用到了输入输入类，因此第1行导入了java的基本io处理包，在第11行中，我们创建了一个名为manager的类，它给threadpoolmanager类的构造函数传递了一个值为10的参数，告诉threadpoolmanager类：我要一个有10个线程的池，给我创建一个吧！第12行至15行是一个无限循环，它用来等待用户的键入，并将键入的字符串保存在s变量中，并调用threadpoolmanager类的process方法来将这个请求进行处理。
下面我们再进一步跟踪到threadpoolmanager类中去，以下是它的源代码：
//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
我们先关注一下这个类的构造函数，然后再看它的process()方法。第16－24行是它的构造函数，首先它给threadpoolmanager类的成员变量maxthread赋值，maxthread表示用于控制线程池中最大线程的数量。第18行初始化一个数组vector，它用来存放所有的simplethread类，这时候就充分体现了java语言的优越性与艺术性：如果你用c语言的话，至少要写100行以上的代码来完成vector的功能，而且c语言数组只能容纳类型统一的基本数据类型，无法容纳对象。好了，闲话少说，第19－24行的循环完成这样一个功能：先创建一个新的simplethread类，然后将它放入vector中去，最后用thread.start()来启动这个线程，为什么要用start()方法来启动线程呢？因为这是java语言中所规定的，如果你不用的话，那这些线程将永远得不到激活，从而导致本示例程序根本无法运行。
下面我们再来看一下process()方法，第30－40行的循环依次从vector数组中选取simplethread线程，并检查它是否处于激活状态（所谓激活状态是指此线程是否正在处理客户端的请求），如果处于激活状态的话，那继续查找vector数组的下一项，如果vector数组中所有的线程都处于激活状态的话，那它会打印出一条信息，提示用户稍候再试。相反如果找到了一个睡眠线程的话，那第35－38行会对此进行处理，它先告诉客户端是哪一个线程来处理这个请求，然后将客户端的请求，即字符串argument转发给simplethread类的setargument()方法进行处理，并调用simplethread类的setrunning()方法来唤醒当前线程，来对客户端请求进行处理。
可能你还对setrunning()方法是怎样唤醒线程的有些不明白，那我们现在就进入最后一个类：simplethread类，它的源代码如下：
//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
如果你对java的线程编程有些不太明白的话，那我先在这里简单地讲解一下，java有一个名为thread的类，如果你要创建一个线程，则必须要从thread类中继承，并且还要实现thread类的run()接口，要激活一个线程，必须调用它的start()方法，start()方法会自动调用run()接口，因此用户必须在run()接口中写入自己的应用处理逻辑。那么我们怎么来控制线程的睡眠与唤醒呢？其实很简单，java语言为所有的对象都内置了wait()和notify()方法，当一个线程调用wait()方法时，则线程进入睡眠状态，就像停在了当前代码上了，也不会继续执行它以下的代码了，当调用notify()方法时，则会从调用wait()方法的那行代码继续执行以下的代码，这个过程有点像编译器中的断点调试的概念。以本程序为例，第38行调用了wait()方法，则这个线程就像凝固了一样停在了38行上了，如果我们在第13行进行一个notify()调用的话，那线程会从第38行上唤醒，继续从第39行开始执行以下的代码了。
通过以上的讲述，我们现在就不难理解simplethread类了，第9－14行通过设置一个标志runningflag激活当前线程，第25－29行是simplethread类的构造函数，它用来告诉客户端启动的是第几号进程。第31－50行则是我实现的run()接口，它实际上是一个无限循环，在循环中首先判断一下标志runningflag，如果没有runningflag为false的话，那线程处理睡眠状态，否则第42－45行会进行真正的处理：先打印用户键入的字符串，然后睡眠5秒钟，为什么要睡眠5秒钟呢？如果你不加上这句代码的话，由于计算机处理速度远远超过你的键盘输入速度，因此你看到的总是第1号线程来处理你的请求，从而达不到演示效果。最后第45行调用setrunning()方法又将线程置于睡眠状态，等待新请求的到来。
最后还有一点要注意的是，如果你在一个方法中调用了wait()和notify()函数，那你一定要将此方法置为同步的，即synchronized，否则在编译时会报错，并得到一个莫名其妙的消息：“current thread not owner”（当前线程不是拥有者）。
至此为止，我们完整地实现了一个线程池，当然，这个线程池只是简单地将客户端输入的字符串打印到了屏幕上，而没有做任何处理，对于一个真正的企业级运用，本例还是远远不够的，例如错误处理、线程的动态调整、性能优化、临界区的处理、客户端报文的定义等等都是值得考虑的问题，但本文的目的仅仅只是让你了解线程池的概念以及它的简单实现，如果你想成为这方面的高手，本文是远远不够的，你应该参考一些更多的资料来深入地了解它。
既然有了进程，为什么还要提出线程的概念呢？因为与创建一个新的进程相比，创建一个线程将会耗费小得多的系统资源，对于一些小型的应用，可能感觉不到这点，但对于那些并发进程数特别多的应用，使用线程会比使用进程获得更好的性能，从而降低操作系统的负担。另外，线程共享创建它的进程的全局变量，因此线程间的通讯编程会更将简单，完全可以抛弃传统的进程间通讯的ipc编程，而采用共享全局变量来进行线程间通讯。
有了上面这个概念，我们下面就进入正题，来看一下线程池究竟是怎么一回事？其实线程池的原理很简单，类似于操作系统中的缓冲区的概念，它的流程如下：先启动若干数量的线程，并让这些线程都处于睡眠状态，当客户端有一个新请求时，就会唤醒线程池中的某一个睡眠线程，让它来处理客户端的这个请求，当处理完这个请求后，线程又处于睡眠状态。可能你也许会问：为什么要搞得这么麻烦，如果每当客户端有新的请求时，我就创建一个新的线程不就完了？这也许是个不错的方法，因为它能使得你编写代码相对容易一些，但你却忽略了一个重要的问题――性能！就拿我所在的单位来说，我的单位是一个省级数据大集中的银行网络中心，高峰期每秒的客户端请求并发数超过100，如果为每个客户端请求创建一个新线程的话，那耗费的cpu时间和内存将是惊人的，如果采用一个拥有200个线程的线程池，那将会节约大量的的系统资源，使得更多的cpu时间和内存用来处理实际的商业应用，而不是频繁的线程创建与销毁。
既然一切都明白了，那我们就开始着手实现一个真正的线程池吧，线程编程可以有多种语言来实现，例如c、c＋＋、java等等，但不同的操作系统提供不同的线程api接口，为了让你能更明白线程池的原理而避免陷入烦琐的api调用之中，我采用了java语言来实现它，由于java语言是一种跨平台的语言，因此你不必为使用不同的操作系统而无法编译运行本程序而苦恼，只要你安装了jdk1.2以上的版本，都能正确地编译运行本程序。另外java语言本身就内置了线程对象，而且java语言是完全面像对象的，因此能够让你更清晰地了解线程池的原理，如果你注意看一下本文的标题，你会发现整个示例程序的代码只有大约100行。
本示例程序由三个类构成，第一个是testthreadpool类，它是一个测试程序，用来模拟客户端的请求，当你运行它时，系统首先会显示线程池的初始化信息，然后提示你从键盘上输入字符串，并按下回车键，这时你会发现屏幕上显示信息，告诉你某个线程正在处理你的请求，如果你快速地输入一行行字符串，那么你会发现线程池中不断有线程被唤醒，来处理你的请求，在本例中，我创建了一个拥有10个线程的线程池，如果线程池中没有可用线程了，系统会提示你相应的警告信息，但如果你稍等片刻，那你会发现屏幕上会陆陆续续提示有线程进入了睡眠状态，这时你又可以发送新的请求了。
第二个类是threadpoolmanager类，顾名思义，它是一个用于管理线程池的类，它的主要职责是初始化线程池，并为客户端的请求分配不同的线程来进行处理，如果线程池满了，它会对你发出警告信息。
最后一个类是simplethread类，它是thread类的一个子类，它才真正对客户端的请求进行处理，simplethread在示例程序初始化时都处于睡眠状态，但如果它接受到了threadpoolmanager类发过来的调度信息，则会将自己唤醒，并对请求进行处理。
首先我们来看一下testthreadpool类的源码：
//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 }
由于此测试程序用到了输入输入类，因此第1行导入了java的基本io处理包，在第11行中，我们创建了一个名为manager的类，它给threadpoolmanager类的构造函数传递了一个值为10的参数，告诉threadpoolmanager类：我要一个有10个线程的池，给我创建一个吧！第12行至15行是一个无限循环，它用来等待用户的键入，并将键入的字符串保存在s变量中，并调用threadpoolmanager类的process方法来将这个请求进行处理。
下面我们再进一步跟踪到threadpoolmanager类中去，以下是它的源代码：
//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
我们先关注一下这个类的构造函数，然后再看它的process()方法。第16－24行是它的构造函数，首先它给threadpoolmanager类的成员变量maxthread赋值，maxthread表示用于控制线程池中最大线程的数量。第18行初始化一个数组vector，它用来存放所有的simplethread类，这时候就充分体现了java语言的优越性与艺术性：如果你用c语言的话，至少要写100行以上的代码来完成vector的功能，而且c语言数组只能容纳类型统一的基本数据类型，无法容纳对象。好了，闲话少说，第19－24行的循环完成这样一个功能：先创建一个新的simplethread类，然后将它放入vector中去，最后用thread.start()来启动这个线程，为什么要用start()方法来启动线程呢？因为这是java语言中所规定的，如果你不用的话，那这些线程将永远得不到激活，从而导致本示例程序根本无法运行。
下面我们再来看一下process()方法，第30－40行的循环依次从vector数组中选取simplethread线程，并检查它是否处于激活状态（所谓激活状态是指此线程是否正在处理客户端的请求），如果处于激活状态的话，那继续查找vector数组的下一项，如果vector数组中所有的线程都处于激活状态的话，那它会打印出一条信息，提示用户稍候再试。相反如果找到了一个睡眠线程的话，那第35－38行会对此进行处理，它先告诉客户端是哪一个线程来处理这个请求，然后将客户端的请求，即字符串argument转发给simplethread类的setargument()方法进行处理，并调用simplethread类的setrunning()方法来唤醒当前线程，来对客户端请求进行处理。
可能你还对setrunning()方法是怎样唤醒线程的有些不明白，那我们现在就进入最后一个类：simplethread类，它的源代码如下：
//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
如果你对java的线程编程有些不太明白的话，那我先在这里简单地讲解一下，java有一个名为thread的类，如果你要创建一个线程，则必须要从thread类中继承，并且还要实现thread类的run()接口，要激活一个线程，必须调用它的start()方法，start()方法会自动调用run()接口，因此用户必须在run()接口中写入自己的应用处理逻辑。那么我们怎么来控制线程的睡眠与唤醒呢？其实很简单，java语言为所有的对象都内置了wait()和notify()方法，当一个线程调用wait()方法时，则线程进入睡眠状态，就像停在了当前代码上了，也不会继续执行它以下的代码了，当调用notify()方法时，则会从调用wait()方法的那行代码继续执行以下的代码，这个过程有点像编译器中的断点调试的概念。以本程序为例，第38行调用了wait()方法，则这个线程就像凝固了一样停在了38行上了，如果我们在第13行进行一个notify()调用的话，那线程会从第38行上唤醒，继续从第39行开始执行以下的代码了。
通过以上的讲述，我们现在就不难理解simplethread类了，第9－14行通过设置一个标志runningflag激活当前线程，第25－29行是simplethread类的构造函数，它用来告诉客户端启动的是第几号进程。第31－50行则是我实现的run()接口，它实际上是一个无限循环，在循环中首先判断一下标志runningflag，如果没有runningflag为false的话，那线程处理睡眠状态，否则第42－45行会进行真正的处理：先打印用户键入的字符串，然后睡眠5秒钟，为什么要睡眠5秒钟呢？如果你不加上这句代码的话，由于计算机处理速度远远超过你的键盘输入速度，因此你看到的总是第1号线程来处理你的请求，从而达不到演示效果。最后第45行调用setrunning()方法又将线程置于睡眠状态，等待新请求的到来。
最后还有一点要注意的是，如果你在一个方法中调用了wait()和notify()函数，那你一定要将此方法置为同步的，即synchronized，否则在编译时会报错，并得到一个莫名其妙的消息：“current thread not owner”（当前线程不是拥有者）。
至此为止，我们完整地实现了一个线程池，当然，这个线程池只是简单地将客户端输入的字符串打印到了屏幕上，而没有做任何处理，对于一个真正的企业级运用，本例还是远远不够的，例如错误处理、线程的动态调整、性能优化、临界区的处理、客户端报文的定义等等都是值得考虑的问题，但本文的目的仅仅只是让你了解线程池的概念以及它的简单实现，如果你想成为这方面的高手，本文是远远不够的，你应该参考一些更多的资料来深入地了解它。