【Java】实现一个简单的线程池

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一、线程池的模式

线程池顾名思义就是管理线程的一个池子，我们把创建线程的过程交给线程池来处理，而这个线程池当中的线程都会从阻塞队列当中取获取任务执行。

我们不在直接把任务的创建过程写到我们初始化的线程对象中，而是通过调用线程池的execute()方法，同时把我们的具体任务交作为参数传给线程池，之后线程池就会把任务添加到阻塞队列当中，而线程池当中的线程会从阻塞队列当中获取任务并执行。

二、线程池的一些参数 

1. corePoolSize：线程池核心线程大小，即最小线程数（初始化线程数）。线程池会维护当前数量的线程在线程池中，即使这些线程一直处于闲置状态，也不会被销毁，除非设置了allowCoreThreadTimeOut。
2. maximumPoolSize：线程池最大线程数量。当任务提交到线程池后，如果当前线程数小于核心线程数，则会创建新线程来处理任务；如果当前线程数大于或等于核心线程数，但小于最大线程数，并且任务队列已满，则会创建新线程来处理任务。
3. keepAliveTime：空闲线程的存活时间。当线程池中的线程数量大于核心线程数且线程处于空闲状态时，在指定时间后，这个空闲线程将会被销毁，从而逐渐恢复到稳定的核心线程数数量。
4. unit：keepAliveTime的存活时间的计量单位，通常使用TimeUnit枚举类中的方法，如TimeUnit.SECONDS表示秒级。
5. workQueue：任务队列。用于存放等待执行的任务，常见的实现类有LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue等。
6. threadFactory：线程工厂。用于创建新的线程，可以自定义线程的名称、优先级等。
7. handler：拒绝策略。当任务无法执行（如线程池已满）时，可以选择的策略有：AbortPolicy（抛出异常）、CallerRunsPolicy（调用者运行）、DiscardOldestPolicy（丢弃最老的任务）、DiscardPolicy（无声丢弃）。

三、代码实现

因为我们只是简单的实现，所以有一些情况和实际不太相似。

1.BlockingQueue

先来看看我们阻塞队列当中的一些参数，为了在多线程环境下防止并发问题，我使用了ReentrantLock，使用它的目的是为了创建多个不同的阻塞条件。

在我们调用一个对象的await()方法后，我们的当前线程就会加入到一个特定的队列当中去等待，直到有调用了这个对象的notify()方法后才会从这个队列中抽取一个线程唤醒。

举个例子，我们去医院的时候，一个医生同一时间只能看一个病人，剩下的人都只能等待，如果只有一个大厅的话，看不同病的病人都只能等待在一个候诊室中。使用ReentrentLock的意思就是为了创建多个不同的候诊室，将不同医生的病人分开在不同的候诊室当中。

    //1.阻塞队列
    private Deque deque = new ArrayDeque<>();
    //2.实现阻塞的锁
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    //3. 生产者等待条件
    private Condition fullWaitSet = lock.newCondition();
    //4.消费者等待条件
    private Condition emptyWaitSet = lock.newCondition();
    //5.阻塞队列的大小
    private  int CAPACITY;

在自定义的阻塞队列中，我使用了一个双向队列来存储任务，并且设置了一个队列大小的属性，在我们创建这个队列的时候我们可以进行初始化。

先来看看阻塞队列任务的添加过程。这个逻辑并不难，我们在代码的上方上锁，在finally中解锁。如果这时我们的队列是满的，就无法在继续添加任务了，这个时候我们就把当前线程挂起（注意我们的挂起条件）。如果队列不是满的话那我们就加入到队尾，同时把另一类挂起的线程唤醒（这类线程在队列为空的时候挂起，等待任务的添加）。

 // 生产者放入数据
    public void put(T t) {
        lock.lock();
        try {
            while (deque.size() == CAPACITY) {
                fullWaitSet.await();
            }
            deque.addLast(t);
            emptyWaitSet.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

在看看我们取任务的过程。同样加锁，当我们的队列为空的时候，线程挂起，等待任务的添加之后线程唤醒，如果队列不为空的话，我们从队列头部取出一个任务，并且唤起一类线程（这类线程在任务已经满了的时候无法在添加任务了，进行挂起，等待队列不为满）。

  // 消费者从线程池当中获取任务
    public T take(){
        T t = null;
        lock.lock();
        try {
            while(deque.size() == 0){
                emptyWaitSet.await();
            }
            t = deque.removeFirst();
            fullWaitSet.signal();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
        return t;
    }

我们上边的代码展示的队列的存取的过程都是死等状态，什么是死等状态？就是任务添加不进去或者取不出来的时候，线程会被一直挂起。真实并不是如此，这里只是简单的展示。

阻塞队列需要的就是这两个存取的过程。

2.ThreadPool

先看看线程池当中的属性。把刚才创建的任务队列加进去，因为线程池要时常和任务队列沟通。然后创建了一个HashSet结构用于存储我们的线程。下边的都是我们线程池需要的一些参数了，拒绝策略在这里没有写。

    // 任务队列
    private BlockedQueue taskQueue;
 
    // 线程集合
    private HashSet workers = new HashSet<>();
 
    //核心线程数
    private int coreSize;
 
    // 超时时间
    private int timeout;
 
    // 超时单位
    private TimeUnit timeUnit;

来看看我们的线程池是如何工作的吧，可以看到我们线程池保存的是Worker对象，我们来看看这个Worker对象是干啥的。这个Worker对象实现了Runnable接口，我们可以把这个类当作线程类，这个类中有一个task属性，因为我们线程池当中的线程是要获取任务执行的，这个任务就用这个task属性代表。

这个Worker类一直在干一件事情，就是不断地从我们的任务队列当中获取任务（Worker类是ThreadPool的内部类），如果获取的任务不为空的话就执行任务，一旦没有任务可以执行那么就把当前的线程从线程池当中移除。

class Worker implements Runnable{
        private Runnable task;
        public Worker(Runnable task){
            this.task = task;
        }
        @Override
        public void run() {
            while(task!=null || (task = taskQueue.take())!=null){
                System.out.println("取出的任务是"+task);
                try {
                    task.run();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    task = null;
                }
                synchronized (workers){
                    workers.remove(this);
                }
            }
        }
    }

那什么时候用到这个Worker类呢？当我们调用ThreadPool中的execute()方法时，线程池中的线程会就调用这个run()方法。

来看我们的execute()方法。当我们的线程数小于我们的核心线程数的时候，我们可以直接创建一个新的线程，并且把我们的任务直接交给这个核心线程。反之我们不能创建，而是把任务添加到我们的任务队列当中，等待核心线程去执行这个任务。

 // 任务执行
    public void execute(Runnable task){
        synchronized (workers){
            if(workers.size() < coreSize){
                // 创建核心线程
                Worker worker = new Worker(task);
                workers.add(worker);
                Thread thread = new Thread(worker);
                thread.start();
            }else {
               
                taskQueue.put(task);
            }
        }
 
    }

写完了上边的代码我们测试一下。

 public static void main(String[] args) {
        ThreadPool threadPool = new ThreadPool(2,10,TimeUnit.MILLISECONDS,10);
        for(int i = 0;i<12;i++){
            int j = i;
            threadPool.execute(()->{
                System.out.println("当前线程"+Thread.currentThread().getName()+"task "+j+" is running");
                try {
                    Thread.currentThread().sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }

方法运行了之后，即使任务全部执行，线程也不会结束。这是因为我们的worker类中的run方法调用了任务队列的take()方法，而take方法是会一直挂起的。

我们现在换一种带超时获取，在规定时间内获取不到任务就自动结束任务。这时候就用到我们传入的时间参数了，我们不再调用await()方法了，而是调用awaitNanos()方法，方法可以接收一个时间参数，这个方法可以消耗我们的nanos时间，在这个时间内如果获取不到的话线程就不在挂起了，这时还会进入到我们的while循环当中，判断我们的nanos是不是被消耗完了，如果被消耗完了就说明在规定时间内获取不到任务，直接return结束线程。

 // 带超时获取
    public T poll(int timeout,TimeUnit timeUnit){
        T t = null;
        lock.lock();
        try {
            long nanos = timeUnit.toNanos(timeout);
            while(deque.size() == 0){
                if(nanos <= 0){
                    return null;
                }
                nanos = emptyWaitSet.awaitNanos(nanos);
            }
 
            t = deque.removeFirst();
            fullWaitSet.signal();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
        return t;
    }

 修改Worker类。

 class Worker implements Runnable{
        private Runnable task;
        public Worker(Runnable task){
            this.task = task;
        }
        @Override
        public void run() {
            while(task!=null || (task = taskQueue.poll(timeout,timeUnit))!=null){
                System.out.println("取出的任务是"+task);
                try {
                    task.run();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    task = null;
                }
                synchronized (workers){
                    workers.remove(this);
                }
            }
        }
    }

现在就可以正常结束了。

四、拒绝策略

全部代码如下。要使用拒绝策略，我们定义一个函数式接口，同时写一个参数传给线程池，参数的具体内容就是拒绝策略的拒绝方法，是我们自己定义的。

同时我们的execute()方法不在使用put来添加任务了，而是使用tryPut，如果大家对这一块感兴趣的话，可以在bilibili上观看黑马程序员的课程学习一下。

/**
 * 自定义线程池
 */
public class TestPool {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadPool threadPool = new ThreadPool(2,10,TimeUnit.SECONDS,10,((queue, task) -> {queue.put(task);}));
        for(int i = 0;i<12;i++){
            int j = i;
            threadPool.execute(()->{
                System.out.println("当前线程"+Thread.currentThread().getName()+"task "+j+" is running");
                try {
                    Thread.currentThread().sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }
}
 
/**
 * 拒绝策略
 */
@FunctionalInterface
interface RejectPolicy{
    void reject(BlockedQueue queue,T task);
}
/**
 * 阻塞队列
 */
class BlockedQueue {
    //1.阻塞队列
    private Deque deque = new ArrayDeque<>();
    //2.实现阻塞的锁
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    //3. 生产者等待条件
    private Condition fullWaitSet = lock.newCondition();
    //4.消费者等待条件
    private Condition emptyWaitSet = lock.newCondition();
    //5.阻塞队列的大小
    private  int CAPACITY;
 
    public BlockedQueue(int queueCapacity) {
        this.CAPACITY = queueCapacity;
    }
 
    // 生产者放入数据
    public void put(T t) {
        lock.lock();
        try {
            while (deque.size() == CAPACITY) {
                fullWaitSet.await();
            }
            deque.addLast(t);
            emptyWaitSet.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    // 带超时添加
    public boolean offer(T t,int timeout,TimeUnit timeUnit) {
        lock.lock();
        long nanos = timeUnit.toNanos(timeout);
        try {
            while (deque.size() == CAPACITY) {
                if(nanos <= 0){
                    return  false;
                }
                nanos = fullWaitSet.awaitNanos(nanos);
            }
            deque.addLast(t);
            emptyWaitSet.signal();
            return  true;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        return true;
    }
    // 带超时获取
    public T poll(int timeout,TimeUnit timeUnit){
        T t = null;
        lock.lock();
        try {
            long nanos = timeUnit.toNanos(timeout);
            while(deque.size() == 0){
                if(nanos <= 0){
                    return null;
                }
                nanos = emptyWaitSet.awaitNanos(nanos);
            }
 
            t = deque.removeFirst();
            fullWaitSet.signal();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
        return t;
    }
    // 消费者从线程池当中获取任务
    public T take(){
        T t = null;
        lock.lock();
        try {
            while(deque.size() == 0){
                emptyWaitSet.await();
            }
            t = deque.removeFirst();
            fullWaitSet.signal();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
        return t;
    }
 
    public void tryPut(RejectPolicy rejectPolicy, T task) {
        lock.lock();
        try {
            if(deque.size()==CAPACITY){
                rejectPolicy.reject(this,task);
            }else{
                deque.addLast(task);
                emptyWaitSet.signal();
 
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}
/**
 * 线程池
 */
class ThreadPool{
    // 任务队列
    private BlockedQueue taskQueue;
 
    // 线程集合
    private HashSet workers = new HashSet<>();
 
    //核心线程数
    private int coreSize;
 
    // 超时时间
    private int timeout;
 
    // 超时单位
    private TimeUnit timeUnit;
 
    //拒绝策略
    private RejectPolicy rejectPolicy;
 
    // 任务执行
    public void execute(Runnable task){
        synchronized (workers){
            if(workers.size() < coreSize){
                // 创建核心线程
                Worker worker = new Worker(task);
                workers.add(worker);
                Thread thread = new Thread(worker);
                thread.start();
            }else {
                // 任务队列
                //taskQueue.offer(task,timeout,timeUnit);
                taskQueue.tryPut(rejectPolicy,task);
                //taskQueue.put(task);
            }
        }
 
    }
    public ThreadPool(int coreSize, int timeout, TimeUnit timeUnit,int queueCapacity,RejectPolicy rejectPolicy){
        this.coreSize = coreSize;
        this.timeout = timeout;
        this.timeUnit = timeUnit;
        this.taskQueue = new BlockedQueue<>(queueCapacity);
 
        this.rejectPolicy = rejectPolicy;
    }
 
 
    class Worker implements Runnable{
        private Runnable task;
        public Worker(Runnable task){
            this.task = task;
        }
        @Override
        public void run() {
            while(task!=null || (task = taskQueue.poll(timeout,timeUnit))!=null){
                System.out.println("取出的任务是"+task);
                try {
                    task.run();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    task = null;
                }
                synchronized (workers){
                    workers.remove(this);
                }
            }
        }
    }
}

这个代码我自己觉得是有些问题，因为如果我的任务队列大小有10的时候，我给出了13个任务，两个交给核心线程不占任务队列大小，另外10个任务正好占满，剩下一个放不进去，这时就会卡住不输出。---------未解决