Java多线程设计模式(4)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：

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

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：

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：

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：

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：

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
        }
    }
}