Java代码构建一个线程池

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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。

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