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1100行代码设计一个线程池

王朝other·作者佚名  2008-05-19
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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

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

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 wh

 
 
 
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