Java代碼構建一個線程池

在現代的作業系統中，有一個很重要的概念――線程，幾乎所有目前流行的作業系統都支援線程，線程來源於作業系統中進程的概念，進程有自己的虛擬位址空間以及本文段、資料區段及堆棧，而且各自佔有不同的系統資源（例如檔案、環境變數等等）。與此不同，線程不能單獨存在，它依附於進程，只能由進程派生。如果一個進程派生出了兩個線程，那這兩個線程共用此進程的全域變數和程式碼片段，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數，線程在UNIX系統中還被進一步分為使用者級線程（由進程自已來管理）和系統級線程（由作業系統的發送器來管理）。

　　既然有了進程，為什麼還要提出線程的概念呢？因為與建立一個新的進程相比，建立一個線程將會耗費小得多的系統資源，對於一些小型的應用，可能感覺不到這點，但對於那些並發進程數特別多的應用，使用線程會比使用進程獲得更好的效能，從而降低作業系統的負擔。另外，線程共用建立它的進程的全域變數，因此線程間的通訊編程會更將簡單，完全可以拋棄傳統的進程間通訊的IPC編程，而採用共用全域變數來進行線程間通訊。

　　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麼一回事？其實線程池的原理很簡單，類似於作業系統中的緩衝區的概念，它的流程如下：先啟動若干數量的線程，並讓這些線程都處於睡眠狀態，當用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，讓它來處理用戶端的這個請求，當處理完這個請求後，線程又處於睡眠狀態。可能你也許會問：為什麼要搞得這麼麻煩，如果每當用戶端有新的請求時，我就建立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――效能！就拿我所在的單位來說，我的單位是一個省級資料大集中的銀行網路中心，高峰期每秒的用戶端請求並發數超過100，如果為每個用戶端請求建立一個新線程的話，那耗費的CPU時間和記憶體將是驚人的，如果採用一個擁有200個線程的線程池，那將會節約大量的的系統資源，使得更多的CPU時間和記憶體用來處理實際的商業應用，而不是頻繁的線程建立與銷毀。

　　既然一切都明白了，那我們就開始著手實現一個真正的線程池吧，線程編程可以有多種語言來實現，例如C、C＋＋、java等等，但不同的作業系統提供不同的線程API介面，為了讓你能更明白線程池的原理而避免陷入煩瑣的API調用之中，我採用了JAVA語言來實現它，由於JAVA語言是一種跨平台的語言，因此你不必為使用不同的作業系統而無法編譯運行本程式而苦惱，只要你安裝了JDK1.2以上的版本，都能正確地編譯運行本程式。另外JAVA語言本身就內建了線程對象，而且JAVA語言是完全面像對象的，因此能夠讓你更清晰地瞭解線程池的原理，如果你注意看一下本文的標題，你會發現整個樣本程式的代碼只有大約100行。

　　本樣本程式由三個類構成，第一個是TestThreadPool類，它是一個測試程式，用來類比用戶端的請求，當你運行它時，系統首先會顯示線程池的初始化資訊，然後提示你從鍵盤上輸入字串，並按下斷行符號鍵，這時你會發現螢幕上顯示資訊，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串，那麼你會發現線程池中不斷有線程被喚醒，來處理你的請求，在本例中，我建立了一個擁有10個線程的線程池，如果線程池中沒有可用線程了，系統會提示你相應的警告資訊，但如果你稍等片刻，那你會發現螢幕上會陸陸續續提示有線程進入了睡眠狀態，這時你又可以發送新的請求了。

　　第二個類是ThreadPoolManager類，顧名思義，它是一個用於管理線程池的類，它的主要職責是初始化線程池，並為用戶端的請求分配不同的線程來進行處理，如果線程池滿了，它會對你發出警告資訊。

　　最後一個類是SimpleThread類，它是Thread類的一個子類，它才真正對用戶端的請求進行處理，SimpleThread在樣本程式初始化時都處於睡眠狀態，但如果它接受到了ThreadPoolManager類發過來的調度資訊，則會將自己喚醒，並對請求進行處理。
　　 首先我們來看一下TestThreadPool類的源碼：

　　//TestThreadPool.java
　　1 import java.io.*;
　　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 }

　　由於此測試程式用到了輸入輸入類，因此第1行匯入了JAVA的基本IO處理包，在第11行中，我們建立了一個名為manager的類，它給ThreadPoolManager類的建構函式傳遞了一個值為10的參數，告訴ThreadPoolManager類：我要一個有10個線程的池，給我建立一個吧！第12行至15行是一個無限迴圈，它用來等待使用者的鍵入，並將鍵入的字串儲存在s變數中，並調用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，以下是它的原始碼：

　　//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

　　我們先關注一下這個類的建構函式，然後再看它的process()方法。第16－24行是它的建構函式，首先它給ThreadPoolManager類的成員變數maxThread賦值，maxThread表示用於控制線程池中最大線程的數量。第18行初始化一個數組vector，它用來存放所有的SimpleThread類，這時候就充分體現了JAVA語言的優越性與藝術性：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語言數組只能容納類型統一的基礎資料型別 (Elementary Data Type)，無法容納對象。好了，閑話少說，第19－24行的迴圈完成這樣一個功能：先建立一個新的SimpleThread類，然後將它放入vector中去，最後用thread.start()來啟動這個線程，為什麼要用start()方法來啟動線程呢？因為這是JAVA語言中所規定的，如果你不用的話，那這些線程將永遠得不到啟用，從而導致本樣本程式根本無法運行。
　　 下面我們再來看一下process()方法，第30－40行的迴圈依次從vector數組中選取SimpleThread線程，並檢查它是否處於啟用狀態（所謂啟用狀態是指此線程是否正在處理用戶端的請求），如果處於啟用狀態的話，那繼續尋找vector數組的下一項，如果vector數組中所有的線程都處於啟用狀態的話，那它會列印出一條資訊，提示使用者稍候再試。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，它先告訴用戶端是哪一個線程來處理這個請求，然後將用戶端的請求，即字串argument轉寄給SimpleThread類的setArgument()方法進行處理，並調用SimpleThread類的setRunning()方法來喚醒當前線程，來對用戶端請求進行處理。

　　可能你還對setRunning()方法是怎樣喚醒線程的有些不明白，那我們現在就進入最後一個類：SimpleThread類，它的原始碼如下：

　　//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 }
　　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

　　如果你對JAVA的線程編程有些不太明白的話，那我先在這裡簡單地講解一下，JAVA有一個名為Thread的類，如果你要建立一個線程，則必須要從Thread類中繼承，並且還要實現Thread類的run()介面，要啟用一個線程，必須調用它的start()方法，start()方法會自動調用run()介面，因此使用者必須在run()介面中寫入自己的應用處理邏輯。那麼我們怎麼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建了wait()和notify()方法，當一個線程調用wait()方法時，則線程進入睡眠狀態，就像停在了當前代碼上了，也不會繼續執行它以下的代碼了，當調用notify()方法時，則會從調用wait()方法的那行代碼繼續執行以下的代碼，這個過程有點像編譯器中的斷點調試的概念。以本程式為例，第38行調用了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()調用的話，那線程會從第38行上喚醒，繼續從第39行開始執行以下的代碼了。

　　通過以上的講述，我們現在就不難理解SimpleThread類了，第9－14行通過設定一個標誌runningFlag啟用當前線程，第25－29行是SimpleThread類的建構函式，它用來告訴用戶端啟動的是第幾號進程。第31－50行則是我實現的run()介面，它實際上是一個無限迴圈，在迴圈中首先判斷一下標誌runningFlag，如果沒有runningFlag為false的話，那線程處理睡眠狀態，否則第42－45行會進行真正的處理：先列印使用者鍵入的字串，然後睡眠5秒鐘，為什麼要睡眠5秒鐘呢？如果你不加上這句代碼的話，由於電腦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，從而達不到示範效果。最後第45行調用setRunning()方法又將線程置於睡眠狀態，等待新請求的到來。

　　最後還有一點要注意的是，如果你在一個方法中調用了wait()和notify()函數，那你一定要將此方法置為同步的，即synchronized，否則在編譯時間會報錯，並得到一個莫名其妙的訊息：“current thread not owner”（當前線程不是擁有者）。

　　至此為止，我們完整地實現了一個線程池，當然，這個線程池只是簡單地將用戶端輸入的字串列印到了螢幕上，而沒有做任何處理，對於一個真正的企業級運用，本例還是遠遠不夠的，例如錯誤處理、線程的動態調整、效能最佳化、臨界區的處理、用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瞭解線程池的概念以及它的簡單實現，如果你想成為這方面的高手，本文是遠遠不夠的，你應該參考一些更多的資料來深入地瞭解它。