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JAVA进阶:一个简单Thread缓冲池的实现

(加入日期: 2009-03-20 )

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在应用中,我们常常需要Thread缓冲池来做一些事以提高程序的效率和并发性。本文演示了如何利用Queue这种数据结构实现一个简单的Thread缓冲池。

一个Thread缓冲池可以设计成以下这样:缓冲池由几个工作Thread和一个Queue组成,Client负责把任务放到Queue里面(put方法),而工作Thread就依次取出这些任务并执行它们(get方法)。

Queue的一个经典实现是使用一个循环数组(这个实现在很多数据结构的书上都有介绍),如一个大小为size的数组,这个循环数组可以被想象成首尾相连的一个环。oldest指向Queue中最老的数据所在的位置,next指向下一个可以放新数据的位置。

放入一个新数据到next的位置后,需要更新next:next = (next + 1) % size;

从oldest位置取出一个数据后,需要更新oldest:oldest = (oldest + 1) % size;

当oldest == next的时候,Queue为空,

当(next + 1) % size == oldest的时候,Queue为满。

(注意:为了区分Queue为空和为满的情况,实际上Queue里面最多能放size-1个数据。)

因为这个Queue会同时被多个线程访问,需要考虑在这种情况下Queue如何工作。首先,Queue需要是线程安全的,可以用Java里的synchronized关键字来确保同时只有一个Thread在访问Queue.

我们还可以注意到当Queue为空的时候,get操作是无法进行的;当Queue为满的时候,put操作又是无法进行的。在多线程访问遇到这种情况时,一般希望执行操作的线程可以等待(block)直到该操作可以进行下去。比如,但一个Thread在一个空Queue上执行get方法的时候,这个 Thread应当等待(block),直到另外的Thread执行该Queue的put方法后,再继续执行下去。在Java里面,Object对象的 wait(),notify()方法提供了这样的功能。

把上面的内容结合起来,就是一个SyncQueue的类:

public class SyncQueue {

public SyncQueue(int size) {
_array = new Object[size];
_size = size;
_oldest = 0;
_next = 0;
}

public synchronized void put(Object o) {
while (full()) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException ex) {
throw new ExceptionAdapter(ex);
}
}
_array[_next] = o;
_next = (_next + 1) % _size;
notify();
}

public synchronized Object get() {
while (empty()) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException ex) {
throw new ExceptionAdapter(ex);
}
}
Object ret = _array[_oldest];
_oldest = (_oldest + 1) % _size;
notify();
return ret;
}

protected boolean empty() {
return _next == _oldest;
}

protected boolean full() {
return (_next + 1) % _size == _oldest;
}

protected Object [] _array;
protected int _next;
protected int _oldest;
protected int _size;
}

可以注意一下get和put方法中while的使用,如果换成if是会有问题的。这是个很容易犯的错误。;-)
在以上代码中使用了ExceptionAdapter这个类,它的作用是把一个checked Exception包装成RuntimeException。详细的说明可以参考我的避免在Java中使用Checked Exception一文。

接下来我们需要一个对象来表现Thread缓冲池所要执行的任务。可以发现JDK中的Runnable interface非常合适这个角色。

最后,剩下工作线程的实现就很简单了:从SyncQueue里取出一个Runnable对象并执行它。

public class Worker implements Runnable {

public Worker(SyncQueue queue) {
_queue = queue;
}

public void run() {
while (true) {
Runnable task = (Runnable) _queue.get();
task.run();
}
}

protected SyncQueue _queue = null;

}

下面是一个使用这个Thread缓冲池的例子:

//构造Thread缓冲池
SyncQueue queue = new SyncQueue(10);
for (int i = 0; i < 5; i ++) {
new Thread(new Worker(queue)).start();

//使用Thread缓冲池
Runnable task = new MyTask();
queue.put(task);

为了使本文中的代码尽可能简单,这个Thread缓冲池的实现是一个基本的框架。当使用到实际中时,一些其他功能也可以在这一基础上添加,比如异常处理,动态调整缓冲池大小等等。

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