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JAVA進階:一個簡單Thread緩沖池的實現

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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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