Java多线程设计模式之线程池模式

前序：

　　Thread-Per-Message Pattern,是一种对于每个命令或请求，都分配一个线程，由这个线程执行工作。它将“委托消息的一端”和“执行消息的一端”用两个不同的线程来实现。该线程模式主要包括三个部分：

　　1，Request参与者(委托人)，也就是消息发送端或者命令请求端

　　2，Host参与者，接受消息的请求，负责为每个消息分配一个工作线程。

　　3，Worker参与者，具体执行Request参与者的任务的线程，由Host参与者来启动。

　　由于常规调用一个方法后，必须等待该方法完全执行完毕后才能继续执行下一步操作，而利用线程后，就不必等待具体任务执行完毕，就可以马上返回继续执行下一步操作。

　　背景：

　　由于在Thread-Per-Message Pattern中对于每一个请求都会生成启动一个线程，而线程的启动是很花费时间的工作，所以鉴于此，提出了Worker Thread，重复利用已经启动的线程。

　　线程池：

　　Worker Thread，也称为工人线程或背景线程，不过一般都称为线程池。该模式主要在于，事先启动一定数目的工作线程。当没有请求工作的时候，所有的工人线程都会等待新的请求过来，一旦有工作到达，就马上从线程池中唤醒某个线程来执行任务，执行完毕后继续在线程池中等待任务池的工作请求的到达。

　　任务池：主要是存储接受请求的集合，利用它可以缓冲接受到的请求，可以设置大小来表示同时能够接受最大请求数目。这个任务池主要是供线程池来访问。

　　线程池：这个是工作线程所在的集合，可以通过设置它的大小来提供并发处理的工作量。对于线程池的大小，可以事先生成一定数目的线程，根据实际情况来动态增加或者减少线程数目。线程池的大小不是越大越好，线程的切换也会耗时的。

　　存放池的数据结构，可以用数组也可以利用集合，在集合类中一般使用Vector，这个是线程安全的。

　　Worker Thread的所有参与者：

　　1，Client参与者，发送Request的参与者

　　2，Channel参与者，负责缓存Request的请求，初始化启动线程，分配工作线程

　　3，Worker参与者，具体执行Request的工作线程

　　4，Request参与者

　　注意：将在Worker线程内部等待任务池非空的方式称为正向等待。

　　将在Channel线程提供Worker线程来判断任务池非空的方式称为反向等待。

　　线程池实例1：

　　利用同步方法来实现，使用数组来作为任务池的存放数据结构。在Channel有缓存请求方法和处理请求方法，利用生成者与消费者模式来处理存储请求，利用反向等待来判断任务池的非空状态。

　　Channel参与者：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55

package whut.threadpool; //用到了生产者与消费者模式 //生成线程池，接受客户端线程的请求，找到一个工作线程分配该客户端请求 public class Channel {     private static final int MAX_REQUEST = 100;// 并发数目，就是同时可以接受多少个客户端请求     //利用数组来存放请求，每次从数组末尾添加请求，从开头移除请求来处理     private final Request[] requestQueue;// 存储接受客户线程的数目     private int tail;//下一次存放Request的位置     private int head;//下一次获取Request的位置     private int count;// 当前request数量     private final WorkerThread[] threadPool;// 存储线程池中的工作线程     // 运用数组来存储     public Channel(int threads) {         this.requestQueue = new Request[MAX_REQUEST];         this.head = 0;         this.head = 0;         this.count = 0;         threadPool = new WorkerThread[threads];         // 启动工作线程         for (int i = 0; i < threadPool.length; i++) {             threadPool[i] = new WorkerThread("Worker-" + i, this);         }     }     public void startWorkers() {         for (int i = 0; i < threadPool.length; i++) {             threadPool[i].start();         }     }     // 接受客户端请求线程     public synchronized void putRequest(Request request) {         // 当Request的数量大于或等于同时接受的数目时候，要等待         while (count >= requestQueue.length)             try {                 wait();             } catch (InterruptedException e) {             }         requestQueue[tail] = request;         tail = (tail + 1) % requestQueue.length;         count++;         notifyAll();     }     // 处理客户端请求线程     public synchronized Request takeRequest() {         while (count <= 0)             try {                 wait();             } catch (InterruptedException e) {             }         Request request = requestQueue[head];         head = (head + 1) % requestQueue.length;         count--;         notifyAll();         return request;     } }

　　客户端请求线程：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

package whut.threadpool; import java.util.Random; //向Channel发送Request请求的 public class ClientThread extends Thread{     private final Channel channel;     private static final Random random=new Random();                                                                     public ClientThread(String name,Channel channel)     {         super(name);         this.channel=channel;     }     public void run()     {         try{             for(int i=0;true;i++)             {                 Request request=new Request(getName(),i);                 channel.putRequest(request);                 Thread.sleep(random.nextInt(1000));             }         }catch(InterruptedException e)         {         }     } }

　　工作线程：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

package whut.threadpool; //具体工作线程 public class WorkerThread extends Thread{                                                            private final Channel channel;     public WorkerThread(String name,Channel channel)     {       super(name);       this.channel=channel;     }                                                            public void run()     {         while(true)         {             Request request=channel.takeRequest();             request.execute();         }     } }

　　线程池实例2：

　　工作线程：

　　利用同步块来处理，利用Vector来存储客户端请求。在Channel有缓存请求方法和处理请求方法，利用生成者与消费者模式来处理存储请求，利用正向等待来判断任务池的非空状态。

　　这种实例，可以借鉴到网络ServerSocket处理用户请求的模式中，有很好的扩展性与实用性。

　　利用Vector来存储，依旧是每次集合的最后一个位置添加请求，从开始位置移除请求来处理。

　　Channel参与者：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54

package whut.threadpool2; import java.util.Vector; /*  * 这个主要的作用如下  * 0,缓冲客户请求线程(利用生产者与消费者模式)  * 1,存储客户端请求的线程  * 2,初始化启动一定数量的线程  * 3,主动来唤醒处于任务池中wait set的一些线程来执行任务  */ public class Channel {     public final static int THREAD_COUNT=4;     public static void main(String[] args) {       //定义两个集合，一个是存放客户端请求的，利用Vector，       //一个是存储线程的，就是线程池中的线程数目                                     //Vector是线程安全的，它实现了Collection和List       //Vector 类可以实现可增长的对象数组。与数组一样，       //它包含可以使用整数索引进行访问的组件。但Vector 的大小可以根据需要增大或缩小，       //以适应创建 Vector 后进行添加或移除项的操作。       //Collection中主要包括了list相关的集合以及set相关的集合,Queue相关的集合       //注意：Map不是Collection的子类，都是java.util.*下的同级包       Vector pool=new Vector();       //工作线程，初始分配一定限额的数目       WorkerThread[] workers=new WorkerThread[THREAD_COUNT];                                  //初始化启动工作线程       for(int i=0;i<workers.length;i++)       {           workers[i]=new WorkerThread(pool);           workers[i].start();       }                                   //接受新的任务，并且将其存储在Vector中       Object task=new Object();//模拟的任务实体类       //此处省略具体工作       //在网络编程中，这里就是利用ServerSocket来利用ServerSocket.accept接受一个Socket从而唤醒线程                                   //当有具体的请求达到       synchronized(pool)       {           pool.add(pool.size(), task);           pool.notifyAll();//通知所有在pool wait set中等待的线程，唤醒一个线程进行处理       }       //注意上面这步骤添加任务池请求，以及通知线程，都可以放在工作线程内部实现       //只需要定义该方法为static，在方法体用同步块，且共享的线程池也是static即可                                   //下面这步，可以有可以没有根据实际情况       //取消等待的线程       for(int i=0;i<workers.length;i++)       {           workers[i].interrupt();       }     } }

工作线程：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46

package whut.threadpool2; import java.util.List; public class WorkerThread extends Thread {     private List pool;//任务请求池     private static int fileCompressed=0;//所有实例共享的                           public WorkerThread(List pool)     {           this.pool=pool;      }                           //利用静态synchronized来作为整个synchronized类方法，仅能同时一个操作该类的这个方法     private static synchronized void incrementFilesCompressed()     {         fileCompressed++;     }                           public void run()     {         //保证无限循环等待中         while(true)         {             //共享互斥来访问pool变量             synchronized(pool)             {                 //利用多线程设计模式中的                 //Guarded Suspension Pattern,警戒条件为pool不为空，否则无限的等待中                 while(pool.isEmpty())                 {                     try{                         pool.wait();//进入pool的wait set中等待着,释放了pool的锁                     }catch(InterruptedException e)                     {                     }                 }                 //当线程被唤醒，需要重新获取pool的锁，                 //再次继续执行synchronized代码块中其余的工作                 //当不为空的时候，继续再判断是否为空，如果不为空，则跳出循环                 //必须先从任务池中移除一个任务来执行，统一用从末尾添加，从开始处移除                                                   pool.remove(0);//获取任务池中的任务，并且要进行转换             }             //下面是线程所要处理的具体工作         }     } }