【Java多线程】自己实现一个简单的线程池(三)

曾经终败给现在 2022-09-07 14:58 275阅读 0赞

## 前言 ##

上次本人是基于java1.8新特性编写了一个简单的线程池，使用了原子变量、阻塞队列、可重入锁等等新特性，内容全部收录在下面两篇文章中

*  [【Java多线程】自己实现一个简单的线程池(一)][Java]
 *  [【Java多线程】自己实现一个简单的线程池(二)][Java 1]

**这次本人闲的无聊，想通过原生的java方式实现一个简单的线程池**

## 一.简易版实现流程 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70]

包含功能：

1.  创建线程池，销毁线程池，添加新任务
2.  没有任务进入等待，有任务则处理掉
3.  动态伸缩，扩容
4.  拒绝策略

因为自己实现的简易版本所以不建议生产中使用，生产中使用`java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor`会更加健壮和优雅

## 二.实现步骤 ##

以下线程池相关代码均在`SimpleThreadPoolExecutor.java`中，由于为了便于解读因此以代码块的形式呈现

**维护一个内部枚举类，用来标记当前任务线程状态，在Thread中其实也有.**

/** * SimpleThreadPoolExecutor内部类-维护一个内部枚举类，用来标记当前任务线程状态，在Thread中其实也有. */
        private enum TaskState { 
            //空闲、运行、阻塞、死亡
            FREE, RUNNABLE, BLOCKED, TERMINATED;
        }

定义拒绝策略接口，以及默认实现

/** * SimpleThreadPoolExecutor内部接口-拒绝策略接口 */
        interface DiscardPolicy { 
            void discard() throws DiscardException;
        }
        /** * SimpleThreadPoolExecutor静态内部类-定义拒绝策略接口，以及默认实现 */
        static class DiscardException extends RuntimeException { 
            private static final long serialVersionUID = 8827362380544575914L;
    
            DiscardException(String message) { 
                super(message);
            }
        }

**工作线程具体实现**

1.  继承`Thread`，重写run方法。
2.  `this.taskState == TaskState.FREE && TASK_QUEUE.isEmpty()`如果当前线程处于空闲状态且没有任何任务了就将它wait住，让出CPU执行权
3.  如果有任务就去执行`FIFO（先进先出）`策略
4.  定义`close方法`，关闭线程，当然这里不能暴力关闭，所以这里有需要借助`interrupt()方法`

/** * SimpleThreadPoolExecutor内部类-工作线程 */
        public static class WorkerTask extends Thread { 
            // 线程编号(自增)
            private static int threadInitNumber;
            // 线程状态
            private TaskState taskState;
    
            /** * 初始化工作线程,绑定对应线程组以及线程名 */
            WorkerTask() { 
                super(THREAD_GROUP, nextThreadName());
            }
    
            /** * 生成线程名,参考Thread.nextThreadNum(); * * @return */
            private static synchronized String nextThreadName() { 
                return THREAD_NAME_PREFIX + (++threadInitNumber);
            }
    
            /** * 启动工作线程 */
            @Override
            public void run() { 
                //目前任务
                Runnable target;
                //说明该工作线程处于空闲状态
                OUTER:
                while (this.taskState != TaskState.TERMINATED) { 
                    synchronized (TASK_QUEUE) { 
                        //如果当前线程处于空闲状态且没有任何任务了就将它wait住，让出CPU执行权
                        while (this.taskState == TaskState.FREE && TASK_QUEUE.isEmpty()) { 
                            try { 
                                this.taskState = TaskState.BLOCKED;//此处标记当前工作线程为阻塞状态
                                //没有任务就wait住,让出CPU执行权
                                TASK_QUEUE.wait();
                                //如果被打断说明当前线程执行了 shutdown() 方法 线程状态为 TERMINATED 直接跳到 while 便于退出
                            } catch (InterruptedException e) { 
                                break OUTER;
                            }
                        }
    
                        //遵循FIFO策略,获取任务执行
                        target = TASK_QUEUE.removeFirst();
                    }
    
                    if (target != null) { 
                        //设置当前工作线程状态为"运行中"
                        this.taskState = TaskState.RUNNABLE;
                        //TODO:启动目标任务
                        target.run();
                        //目标任务执行外设置当前工作线程状态为"空闲"
                        this.taskState = TaskState.FREE;
                    }
                }
            }
    
            void close() { //优雅关闭线程
                this.taskState = TaskState.TERMINATED;
                this.interrupt();
            }
        }

## 三.完整代码 ##

简易版线程池，主要就是维护了一个`任务队列`和`工作线程集`，为了动态扩容，自己也继承了`Thread`去做监听操作，对外提供`submit()提交执行任务`、`shutdown()等待所有任务工作完毕，关闭线程池`

/** * 简易版线程池 */
    public class SimpleThreadPoolExecutor extends Thread { 
        private final static int DEFAULT_MIN_THREAD_SIZE = 2;// 默认最小线程数
        private final static int DEFAULT_ACTIVE_THREAD_SIZE = 5;// 活跃线程
        private final static int DEFAULT_MAX_THREAD_SIZE = 10;// 最大线程
        private final static int DEFAULT_WORKER_QUEUE_SIZE = 100;// 最多执行多少任务
        private final static String THREAD_NAME_PREFIX = "MY-THREAD-NAME-";//线程名前缀
        private final static String THREAD_POOL_NAME = "SIMPLE-POOL";//线程组的名称
        private final static ThreadGroup THREAD_GROUP = new ThreadGroup(THREAD_POOL_NAME);//线程组
        private final static List<WorkerTask> WORKER_TASKS = new ArrayList<>();// 线程容器
        // 任务队列容器,也可以用Queue<Runnable> 遵循 FIFO 规则
        private final static LinkedList<Runnable> TASK_QUEUE = new LinkedList<>();
        // 拒绝策略
        private final static DiscardPolicy DEFAULT_DISCARD_POLICY = () -> { 
            throw new DiscardException("[拒绝执行] - [任务队列溢出...]");
        };
    
    
        private int threadPoolSize;// 线程池大小
        private int queueSize;// 最大接收任务
        private DiscardPolicy discardPolicy;   // 拒绝策略
        private volatile boolean destroy = false;// 是否被销毁
        private int minSize;//最小线程
        private int maxSize;//最大线程
        private int activeSize;//活跃线程
    
        /** * 默认线程池 */
        SimpleThreadPoolExecutor() { 
            this(DEFAULT_MIN_THREAD_SIZE, DEFAULT_ACTIVE_THREAD_SIZE, DEFAULT_MAX_THREAD_SIZE, DEFAULT_WORKER_QUEUE_SIZE, DEFAULT_DISCARD_POLICY);
        }
    
    
        /** * 初始化线程 * * @param minSize 最小线程数 * @param activeSize 工作线程数 * @param maxSize 最大线程数 * @param queueSize 队列大小 * @param discardPolicy 拒绝策略 */
        SimpleThreadPoolExecutor(int minSize, int activeSize, int maxSize, int queueSize, DiscardPolicy discardPolicy) { 
            this.minSize = minSize;
            this.activeSize = activeSize;
            this.maxSize = maxSize;
            this.queueSize = queueSize;
            this.discardPolicy = discardPolicy;
            //初始化线程池
            initPool();
        }
    
        /** * 初始化操作 */
        private void initPool() { 
            //根据最新线程数初始化工作线程
            for (int i = 0; i < this.minSize; i++) { 
                //创建工作线程
                this.createWorkerTask();
            }
            //线程池大小=最小线程数
            this.threadPoolSize = minSize;
            //自己启动自己
            this.start();
        }
    
        /** * 初始化工作线程并加入任务队列中 */
        private void createWorkerTask() { 
            WorkerTask task = new WorkerTask();
            //刚创建出来的线程应该是未使用的
            task.taskState = TaskState.FREE;
            //保存工作线程到任务队列容器
            WORKER_TASKS.add(task);
            //启动工作线程
            task.start();
        }
    
    
        /** * 提交任务 * * @param runnable */
        void submit(Runnable runnable) { 
            if (destroy) { 
                throw new IllegalStateException("线程池已销毁...");
            }
    
            synchronized (TASK_QUEUE) { 
                if (TASK_QUEUE.size() > queueSize) { //如果当前任务队列超出队列限制,后续任务执行拒绝策略
                    discardPolicy.discard();
                }
                // 1.将任务添加到任务队列
                TASK_QUEUE.addLast(runnable);
                // 2.唤醒等待的工作线程去执行任务
                TASK_QUEUE.notifyAll();
            }
        }
    
        /** * 关闭线程池 * * @throws InterruptedException */
        void shutdown() throws InterruptedException { 
            //获取活跃线程数
            int activeCount = THREAD_GROUP.activeCount();
            while (!TASK_QUEUE.isEmpty() && activeCount > 0) { 
                // 如果还有任务,那就休息一会
                Thread.sleep(100);
            }
            int intVal = WORKER_TASKS.size();//如果线程池中没有工作线程,那就不用关了
            while (intVal > 0) { 
                for (WorkerTask task : WORKER_TASKS) { 
                    //当任务队列为空的时候，线程状态才会为 BLOCKED ，所以可以打断掉，相反等任务执行完在关闭
                    if (task.taskState == TaskState.BLOCKED) { 
                        task.close();
                        intVal--;
                    }
                    else { 
                        Thread.sleep(50);
                    }
                }
            }
            this.destroy = true;
            //资源回收
            TASK_QUEUE.clear();
            WORKER_TASKS.clear();
            this.interrupt();
            System.out.println("线程关闭");
        }
    
    
        /** * 启动线程池 */
        @Override
        public void run() { 
            while (!destroy) { 
                try { 
                    Thread.sleep(5_000L);
                    //任务队列个数 大于 工作线程数 && 线程池大小小于活跃线程
                    if (TASK_QUEUE.size() > activeSize && threadPoolSize < activeSize) {  // 第一次扩容到 activeSize 大小
                        for (int i = threadPoolSize; i < activeSize; i++) { 
                            createWorkerTask();
                        }
                        this.threadPoolSize = activeSize;
                        System.out.println("[初次扩充] - [" + toString() + "]");
                    }
                    //任务队列个数 大于 最大线程数 && 线程池大小小于最大线程数
                    else if (TASK_QUEUE.size() > maxSize && threadPoolSize < maxSize) { // 第二次扩容到最大线程
                        System.out.println();
                        for (int i = threadPoolSize; i < maxSize; i++) { 
                            createWorkerTask();
                        }
                        this.threadPoolSize = maxSize;
                        System.out.println("[再次扩充] - [" + toString() + "]");
                    }
                    else { 
                        //防止线程在submit的时候，其他线程获取到锁干坏事
                        synchronized (WORKER_TASKS) { 
                            int releaseSize = threadPoolSize - activeSize;
                            Iterator<WorkerTask> iterator = WORKER_TASKS.iterator();// List不允许在for中删除集合元素,所以这里需要使用迭代器
                            while (iterator.hasNext()) { 
                                if (releaseSize <= 0) { 
                                    break;
                                }
                                WorkerTask task = iterator.next();
                                //不能回收正在运行的线程,只回收空闲线程
                                if (task.taskState == TaskState.FREE) { 
                                    task.close();
                                    iterator.remove();
                                    releaseSize--;
                                }
                            }
                            System.out.println("[资源回收] - [" + toString() + "]");
                        }
                        threadPoolSize = activeSize;
                    }
                } catch (InterruptedException e) { 
                    System.out.println("资源释放");
                }
            }
        }
    
        @Override
        public String toString() { 
            return "SimpleThreadPoolExecutor{" +
                    "threadPoolSize=" + threadPoolSize +
                    ", taskQueueSize=" + TASK_QUEUE.size() +
                    ", minSize=" + minSize +
                    ", maxSize=" + maxSize +
                    ", activeSize=" + activeSize +
                    '}';
        }
    
        /** * 内部类-维护一个内部枚举类，用来标记当前任务线程状态，在Thread中其实也有. */
        private enum TaskState { 
            //空闲、运行、阻塞、死亡
            FREE, RUNNABLE, BLOCKED, TERMINATED;
        }
    
        /** * 内部接口-拒绝策略接口 */
        interface DiscardPolicy { 
            void discard() throws DiscardException;
        }
    
    
        /** * 静态内部类-定义拒绝策略接口，以及默认实现 */
        static class DiscardException extends RuntimeException { 
            private static final long serialVersionUID = 8827362380544575914L;
    
            DiscardException(String message) { 
                super(message);
            }
        }
    
        /** * 工作线程 * <p> * 1.继承Thread，重写run方法。 * 2.this.taskState == TaskState.FREE&& TASK_QUEUE.isEmpty() 如果当前线程处于空闲状态且没有任何任务了就将它wait住，让出CPU执行权 * 3.如果有任务就去执行FIFO（先进先出）策略 * 4.定义close方法，关闭线程，当然这里不能暴力关闭，所以这里有需要借助interrupt */
        public static class WorkerTask extends Thread { 
            // 线程编号(自增)
            private static int threadInitNumber;
            // 线程状态
            private TaskState taskState;
    
            /** * 初始化工作线程,绑定对应线程组以及线程名 */
            WorkerTask() { 
                super(THREAD_GROUP, nextThreadName());
            }
    
            /** * 生成线程名,参考Thread.nextThreadNum(); * * @return */
            private static synchronized String nextThreadName() { 
                return THREAD_NAME_PREFIX + (++threadInitNumber);
            }
    
            /** * 启动工作线程 */
            @Override
            public void run() { 
                //目前任务
                Runnable target;
                //说明该工作线程处于空闲状态
                OUTER:
                while (this.taskState != TaskState.TERMINATED) { 
                    synchronized (TASK_QUEUE) { 
                        //如果当前线程处于空闲状态且没有任何任务了就将它wait住，让出CPU执行权
                        while (this.taskState == TaskState.FREE && TASK_QUEUE.isEmpty()) { 
                            try { 
                                this.taskState = TaskState.BLOCKED;//此处标记当前工作线程为阻塞状态
                                //没有任务就wait住,让出CPU执行权
                                TASK_QUEUE.wait();
                                //如果被打断说明当前线程执行了 shutdown() 方法 线程状态为 TERMINATED 直接跳到 while 便于退出
                            } catch (InterruptedException e) { 
                                break OUTER;
                            }
                        }
    
                        //遵循FIFO策略,获取任务执行
                        target = TASK_QUEUE.removeFirst();
                    }
    
                    if (target != null) { 
                        //设置当前工作线程状态为"运行中"
                        this.taskState = TaskState.RUNNABLE;
                        //TODO:启动目标任务
                        target.run();
                        //目标任务执行外设置当前工作线程状态为"空闲"
                        this.taskState = TaskState.FREE;
                    }
                }
            }
    
            void close() { //优雅关闭线程
                this.taskState = TaskState.TERMINATED;
                this.interrupt();
            }
        }
    }

## 四.测试 ##

public class Client { 
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
    
            SimpleThreadPoolExecutor executor = new SimpleThreadPoolExecutor();
    
            IntStream.range(0, 30).forEach(i ->
                    executor.submit(() -> { 
                        System.out.printf("[线程] - [%s] 开始工作...\n", Thread.currentThread().getName());
                        try { 
                            Thread.sleep(2_000L);
                        } catch (InterruptedException e) { 
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.printf("[线程] - [%s] 工作完毕...\n", Thread.currentThread().getName());
                    })
            );
    
            //executor.shutdown();如果放开注释即会执行完所有任务关闭线程池
        }
    }

执行结果

[线程] - [MY-THREAD-NAME-1] 开始工作...
    [线程] - [MY-THREAD-NAME-2] 开始工作...
    [线程] - [MY-THREAD-NAME-1] 工作完毕...
    [线程] - [MY-THREAD-NAME-1] 开始工作...
    [线程] - [MY-THREAD-NAME-2] 工作完毕...
    [线程] - [MY-THREAD-NAME-2] 开始工作...
    [线程] - [MY-THREAD-NAME-1] 工作完毕...
    [线程] - [MY-THREAD-NAME-1] 开始工作...
    [线程] - [MY-THREAD-NAME-2] 工作完毕...
    [线程] - [MY-THREAD-NAME-2] 开始工作...
    [初次扩充] - [SimpleThreadPoolExecutor{ threadPoolSize=5, taskQueueSize=44, minSize=2, maxSize=10, activeSize=5}]
    [线程] - [MY-THREAD-NAME-3] 开始工作...
    ...
    [线程] - [MY-THREAD-NAME-6] 开始工作...
    [线程] - [MY-THREAD-NAME-7] 开始工作...
    [再次扩充] - [SimpleThreadPoolExecutor{ threadPoolSize=10, taskQueueSize=30, minSize=2, maxSize=10, activeSize=5}]
    [线程] - [MY-THREAD-NAME-10] 开始工作...
    ...
    [线程] - [MY-THREAD-NAME-5] 开始工作...
    [资源回收] - [SimpleThreadPoolExecutor{ threadPoolSize=10, taskQueueSize=4, minSize=2, maxSize=10, activeSize=5}]
    [线程] - [MY-THREAD-NAME-4] 工作完毕...
    ...
    [线程] - [MY-THREAD-NAME-7] 工作完毕...
    [资源回收] - [SimpleThreadPoolExecutor{ threadPoolSize=5, taskQueueSize=0, minSize=2, maxSize=10, activeSize=5}]
    [资源回收] - [SimpleThreadPoolExecutor{ threadPoolSize=5, taskQueueSize=0, minSize=2, maxSize=10, activeSize=5}]

从日志中可以看到，初始化线程池有`2个工作线程`，执行速度较为缓慢，当经过`第1次扩容`后，会观察到线程池里线程个数增加了，执行任务的速度就越来越快了，本文一共扩容了2次`，第一次是扩容到activeSize的大小，第二次是扩容到maxSize`，如果任务队列没有可执行的任务时，就会进行线程回收，使工作线程数回到`activeSize`。

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[一份针对于新手的多线程实践][Link 1]  
[一份针对于新手的多线程实践–进阶篇][Link 2]  
[一个线程罢工的诡异事件][Link 3]  
[线程池不容错过的细节][Link 4]  
[JAVA并发编程J.U.C学习总结][JAVA_J.U.C]  
[ReentrantLock 实现原理][ReentrantLock]  
[Synchronize 关键字原理][Synchronize]

[Java]: https://blog.csdn.net/qq877728715/article/details/107632454
[Java 1]: https://blog.csdn.net/qq877728715/article/details/107867724
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxODc3NzI4NzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220829/771d297b0f2744689c1711b11d72bed5.png
[Link 1]: https://mp.weixin.qq.com/s/BQNWG3MucgpPKdSTb-BBJw
[Link 2]: https://mp.weixin.qq.com/s/JZoJ3lVx_ely1IOQXa348w
[Link 3]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyMzgyODkxMQ==&mid=2247484120&idx=1&sn=4b73c34f9ebf8b73e3fa221f3e4427a8&chksm=e8190c18df6e850e1acc8d4efc2b0e67ecb60d319a2ce8906198d2d01efb66c417ca6703b263&scene=21#wechat_redirect
[Link 4]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyMzgyODkxMQ==&mid=2247484144&idx=1&sn=d4b992f4a0c66bafb906683936d204d9&chksm=e8190c30df6e85266d98a4aabf24be2b96775db7baa47634418a640465d4c35c31b2157c7b99&scene=21#wechat_redirect
[JAVA_J.U.C]: https://www.cnblogs.com/chenpi/p/5614290.html
[ReentrantLock]: https://mp.weixin.qq.com/s/5FNSLkFJfkyBc_CvFbGYEQ
[Synchronize]: https://mp.weixin.qq.com/s/nH75qulepWs-3g4Od-mvTg