JAVA進階：一個簡單Thread緩沖池的實現

2019-11-17 04:59:10

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供稿：網友

在應用中，我們常常需要Thread緩沖池來做一些事以提高程序的效率和并發性。本文演示了如何利用Queue這種數據結構實現一個簡單的Thread緩沖池。

一個Thread緩沖池可以設計成以下這樣：緩沖池由幾個工作Thread和一個Queue組成，Client負責把任務放到Queue里面（put方法），而工作Thread就依次取出這些任務并執行它們（get方法）。

Queue的一個經典實現是使用一個循環數組（這個實現在很多數據結構的書上都有介紹），如一個大小為size的數組，這個循環數組可以被想象成首尾相連的一個環。oldest指向Queue中最老的數據所在的位置，next指向下一個可以放新數據的位置。

放入一個新數據到next的位置后，需要更新next：next = (next + 1) % size;

從oldest位置取出一個數據后，需要更新oldest：oldest = (oldest + 1) % size;

當oldest == next的時候，Queue為空，

當(next + 1) % size == oldest的時候，Queue為滿。

（注意：為了區分Queue為空和為滿的情況，實際上Queue里面最多能放size-1個數據。）

因為這個Queue會同時被多個線程訪問，需要考慮在這種情況下Queue如何工作。首先，Queue需要是線程安全的，可以用java里的synchronized關鍵字來確保同時只有一個Thread在訪問Queue.

我們還可以注意到當Queue為空的時候，get操作是無法進行的；當Queue為滿的時候，put操作又是無法進行的。在多線程訪問遇到這種情況時，一般希望執行操作的線程可以等待（block）直到該操作可以進行下去。比如，但一個Thread在一個空Queue上執行get方法的時候，這個 Thread應當等待(block)，直到另外的Thread執行該Queue的put方法后，再繼續執行下去。在Java里面，Object對象的 wait(),notify()方法提供了這樣的功能。

把上面的內容結合起來，就是一個SyncQueue的類：

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，如果換成if是會有問題的。這是個很容易犯的錯誤。;-)
在以上代碼中使用了ExceptionAdapter這個類，它的作用是把一個checked Exception包裝成RuntimeException。詳細的說明可以參考我的避免在Java中使用Checked Exception一文。

接下來我們需要一個對象來表現Thread緩沖池所要執行的任務。可以發現JDK中的Runnable interface非常合適這個角色。

最后，剩下工作線程的實現就很簡單了：從SyncQueue里取出一個Runnable對象并執行它。

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;

}

下面是一個使用這個Thread緩沖池的例子：

       //構造Thread緩沖池
       SyncQueue queue = new SyncQueue(10);
       for (int i = 0; i < 5; i ++) {
           new Thread(new Worker(queue)).start();
       }
       //使用Thread緩沖池
       Runnable task = new MyTask();
       queue.put(task);

為了使本文中的代碼盡可能簡單，這個Thread緩沖池的實現是一個基本的框架。當使用到實際中時，一些其他功能也可以在這一基礎上添加，比如異常處理，動態調整緩沖池大小等等。

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