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用Java代碼構(gòu)建一個線程池

在現(xiàn)代的操作系統(tǒng)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(tǒng)都支持線程，線程來源于操作系統(tǒng)中進程的概念，進程有自己的虛擬地址空間以及正文段、數(shù)據(jù)段及堆棧，而且各自占有不同的系統(tǒng)資源（例如文件、環(huán)境變量等等）。與此不同，線程不能單獨存在，它依附于進程，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(tǒng)中還被進一步分為用戶級線程（由進程自已來管理）和系統(tǒng)級線程（由操作系統(tǒng)的調(diào)度程序來管理）。

　　既然有了進程，為什么還要提出線程的概念呢？因為與創(chuàng)建一個新的進程相比，創(chuàng)建一個線程將會耗費小得多的系統(tǒng)資源，對于一些小型的應(yīng)用，可能感覺不到這點，但對于那些并發(fā)進程數(shù)特別多的應(yīng)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(tǒng)的負擔(dān)。另外，線程共享創(chuàng)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(tǒng)的進程間通訊的IPC編程，而采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么一回事？其實線程池的原理很簡單，類似于操作系統(tǒng)中的緩沖區(qū)的概念，它的流程如下：先啟動若干數(shù)量的線程，并讓這些線程都處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)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(dāng)處理完這個請求后，線程又處于睡眠狀態(tài)。可能你也許會問：為什么要搞得這么麻煩，如果每當(dāng)客戶端有新的請求時，我就創(chuàng)建一個新的線程不就完了？這也許是個不錯的方法，因為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(shù)據(jù)大集中的銀行網(wǎng)絡(luò)中心，高峰期每秒的客戶端請求并發(fā)數(shù)超過100，如果為每個客戶端請求創(chuàng)建一個新線程的話，那耗費的CPU時間和內(nèi)存將是驚人的，如果采用一個擁有200個線程的線程池，那將會節(jié)約大量的的系統(tǒng)資源，使得更多的CPU時間和內(nèi)存用來處理實際的商業(yè)應(yīng)用，而不是頻繁的線程創(chuàng)建與銷毀。

　　既然一切都明白了，那我們就開始著手實現(xiàn)一個真正的線程池吧，線程編程可以有多種語言來實現(xiàn)，例如C、C＋＋、java等等，但不同的操作系統(tǒng)提供不同的線程API接口，為了讓你能更明白線程池的原理而避免陷入煩瑣的API調(diào)用之中，我采用了JAVA語言來實現(xiàn)它，由于JAVA語言是一種跨平臺的語言，因此你不必為使用不同的操作系統(tǒng)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(nèi)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了解線程池的原理，如果你注意看一下本文的標(biāo)題，你會發(fā)現(xiàn)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(gòu)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(dāng)你運行它時，系統(tǒng)首先會顯示線程池的初始化信息，然后提示你從鍵盤上輸入字符串，并按下回車鍵，這時你會發(fā)現(xiàn)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，那么你會發(fā)現(xiàn)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(chuàng)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(tǒng)會提示你相應(yīng)的警告信息，但如果你稍等片刻，那你會發(fā)現(xiàn)屏幕上會陸陸續(xù)續(xù)提示有線程進入了睡眠狀態(tài)，這時你又可以發(fā)送新的請求了。

　　第二個類是ThreadPoolManager類，顧名思義，它是一個用于管理線程池的類，它的主要職責(zé)是初始化線程池，并為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(fā)出警告信息。

　　最后一個類是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于睡眠狀態(tài)，但如果它接受到了ThreadPoolManager類發(fā)過來的調(diào)度信息，則會將自己喚醒，并對請求進行處理。
　　首先我們來看一下TestThreadPool類的源碼：

　　

//TestThreadPool.java

　　1 import java.io.*;

　　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 }

　　由于此測試程序用到了輸入輸入類，因此第1行導(dǎo)入了JAVA的基本IO處理包，在第11行中，我們創(chuàng)建了一個名為manager的類，它給ThreadPoolManager類的構(gòu)造函數(shù)傳遞了一個值為10的參數(shù)，告訴ThreadPoolManager類：我要一個有10個線程的池，給我創(chuàng)建一個吧！第12行至15行是一個無限循環(huán)，它用來等待用戶的鍵入，并將鍵入的字符串保存在s變量中，并調(diào)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.*;

　　4 class ThreadPoolManager

　　5 {

　　7 private int maxThread;

　　8 public Vector vector;

　　9 public void setMaxThread(int threadCount)

　　10 {

　　11 maxThread = threadCount;

　　12 }

　　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 }

　　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(guān)注一下這個類的構(gòu)造函數(shù)，然后再看它的process()方法。第16－24行是它的構(gòu)造函數(shù)，首先它給ThreadPoolManager類的成員變量maxThread賦值，maxThread表示用于控制線程池中最大線程的數(shù)量。第18行初始化一個數(shù)組vector，它用來存放所有的SimpleThread類，這時候就充分體現(xiàn)了JAVA語言的優(yōu)越性與藝術(shù)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(shù)組只能容納類型統(tǒng)一的基本數(shù)據(jù)類型，無法容納對象。好了，閑話少說，第19－24行的循環(huán)完成這樣一個功能：先創(chuàng)建一個新的SimpleThread類，然后將它放入vector中去，最后用thread.start()來啟動這個線程，為什么要用start()方法來啟動線程呢？因為這是JAVA語言中所規(guī)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(dǎo)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(huán)依次從vector數(shù)組中選取SimpleThread線程，并檢查它是否處于激活狀態(tài)（所謂激活狀態(tài)是指此線程是否正在處理客戶端的請求），如果處于激活狀態(tài)的話，那繼續(xù)查找vector數(shù)組的下一項，如果vector數(shù)組中所有的線程都處于激活狀態(tài)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，然后將客戶端的請求，即字符串a(chǎn)rgument轉(zhuǎn)發(fā)給SimpleThread類的setArgument()方法進行處理，并調(diào)用SimpleThread類的setRunning()方法來喚醒當(dāng)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(xiàn)在就進入最后一個類：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 }

　　16 public String getArgument()

　　17 {

　　18 return this.argument;

　　19 }

　　20 public void setArgument(String string)

　　21 {

　　22 argument = string;

　　23 }

　　25 public SimpleThread(int threadNumber)

　　26 {

　　27 runningFlag = false;

　　28 System.out.println("thread " + threadNumber + "started.");

　　29 }

　　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，那我先在這里簡單地講解一下，JAVA有一個名為Thread的類，如果你要創(chuàng)建一個線程，則必須要從Thread類中繼承，并且還要實現(xiàn)Thread類的run()接口，要激活一個線程，必須調(diào)用它的start()方法，start()方法會自動調(diào)用run()接口，因此用戶必須在run()接口中寫入自己的應(yīng)用處理邏輯。那么我們怎么來控制線程的睡眠與喚醒呢？其實很簡單，JAVA語言為所有的對象都內(nèi)置了wait()和notify()方法，當(dāng)一個線程調(diào)用wait()方法時，則線程進入睡眠狀態(tài)，就像停在了當(dāng)前代碼上了，也不會繼續(xù)執(zhí)行它以下的代碼了，當(dāng)調(diào)用notify()方法時，則會從調(diào)用wait()方法的那行代碼繼續(xù)執(zhí)行以下的代碼，這個過程有點像編譯器中的斷點調(diào)試的概念。以本程序為例，第38行調(diào)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(diào)用的話，那線程會從第38行上喚醒，繼續(xù)從第39行開始執(zhí)行以下的代碼了。

　　通過以上的講述，我們現(xiàn)在就不難理解SimpleThread類了，第9－14行通過設(shè)置一個標(biāo)志runningFlag激活當(dāng)前線程，第25－29行是SimpleThread類的構(gòu)造函數(shù)，它用來告訴客戶端啟動的是第幾號進程。第31－50行則是我實現(xiàn)的run()接口，它實際上是一個無限循環(huán)，在循環(huán)中首先判斷一下標(biāo)志runningFlag，如果沒有runningFlag為false的話，那線程處理睡眠狀態(tài)，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，然后睡眠5秒鐘，為什么要睡眠5秒鐘呢？如果你不加上這句代碼的話，由于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。最后第45行調(diào)用setRunning()方法又將線程置于睡眠狀態(tài)，等待新請求的到來。

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

　　至此為止，我們完整地實現(xiàn)了一個線程池，當(dāng)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，對于一個真正的企業(yè)級運用，本例還是遠遠不夠的，例如錯誤處理、線程的動態(tài)調(diào)整、性能優(yōu)化、臨界區(qū)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了解線程池的概念以及它的簡單實現(xiàn)，如果你想成為這方面的高手，本文是遠遠不夠的，你應(yīng)該參考一些更多的資料來深入地了解它

posted on 2007-12-22 15:53 々上善若水々閱讀(1603) 評論(0) 編輯收藏所屬分類: J2SE

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