JAVA进阶：一个简单Thread缓冲池的实现
2024年02月29日
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。
