线程池的介绍及简单实现

文章由LinuxBoy分享于2019-04-01 05:04:02热评（498）

线程池的介绍及简单实现

服务器程序利用线程技术响应客户请求已经司空见惯,可能您认为这样做效率已经很高，但您有没有想过优化一下使用线程的方法。该文章将向您介绍服务器程序如何利用线程池来优化性能并提供一个简单的线程池实现。

线程池的技术背景

在面向对象编程中，创建和销毁对象是很费时间的，因为创建一个对象要获取内存资源或者其它更多资源。在Java中更是如此，虚拟机将试图跟踪每一个对象，以便能够在对象销毁后进行垃圾回收。所以提高服务程序效率的一个手段就是尽可能减少创建和销毁对象的次数，特别是一些很耗资源的对象创建和销毁。如何利用已有对象来服务就是一个需要解决的关键问题，其实这就是一些"池化资源"技术产生的原因。比如大家所熟悉的数据库连接池正是遵循这一思想而产生的，本文将介绍的线程池技术同样符合这一思想。

目前，一些著名的大公司都特别看好这项技术，并早已经在他们的产品中应用该技术。比如IBM的WebSphere，IONA的Orbix 2000在SUN的 Jini中，Microsoft的MTS（Microsoft Transaction Server 2.0），COM+等。

现在您是否也想在服务器程序应用该项技术?

线程池技术如何提高服务器程序的性能

我所提到服务器程序是指能够接受客户请求并能处理请求的程序，而不只是指那些接受网络客户请求的网络服务器程序。

多线程技术主要解决处理器单元内多个线程执行的问题，它可以显著减少处理器单元的闲置时间，增加处理器单元的吞吐能力。但如果对多线程应用不当，会增加对单个任务的处理时间。可以举一个简单的例子：

假设在一台服务器完成一项任务的时间为T

     T1 创建线程的时间
      T2 在线程中执行任务的时间，包括线程间同步所需时间
      T3 线程销毁的时间

显然T ＝ T1＋T2＋T3。注意这是一个极度简化的假设。

可以看出T1,T3是多线程本身的带来的开销，我们渴望减少T1,T3所用的时间，从而减少T的时间。但一些线程的使用者并没有注意到这一点，所以在程序中频繁的创建或销毁线程，这导致T1和T3在T中占有相当比例。显然这是突出了线程的弱点（T1，T3），而不是优点（并发性）。

线程池技术正是关注如何缩短或调整T1,T3时间的技术，从而提高服务器程序性能的。它把T1，T3分别安排在服务器程序的启动和结束的时间段或者一些空闲的时间段，这样在服务器程序处理客户请求时，不会有T1，T3的开销了。

线程池不仅调整T1,T3产生的时间段，而且它还显著减少了创建线程的数目。在看一个例子：

假设一个服务器一天要处理50000个请求，并且每个请求需要一个单独的线程完成。我们比较利用线程池技术和不利于线程池技术的服务器处理这些请求时所产生的线程总数。在线程池中，线程数一般是固定的，所以产生线程总数不会超过线程池中线程的数目或者上限（以下简称线程池尺寸），而如果服务器不利用线程池来处理这些请求则线程总数为50000。一般线程池尺寸是远小于50000。所以利用线程池的服务器程序不会为了创建50000而在处理请求时浪费时间，从而提高效率。

这些都是假设，不能充分说明问题，下面我将讨论线程池的简单实现并对该程序进行对比测试，以说明线程技术优点及应用领域。

线程池的简单实现及对比测试

一般一个简单线程池至少包含下列组成部分。

线程池管理器（ThreadPoolManager）:用于创建并管理线程池
工作线程（WorkThread）: 线程池中线程
任务接口（Task）:每个任务必须实现的接口，以供工作线程调度任务的执行。
任务队列:用于存放没有处理的任务。提供一种缓冲机制。

线程池管理器至少有下列功能：创建线程池，销毁线程池，添加新任务创建线程池的部分代码如下：

  …
        //create threads
        synchronized(workThreadVector)
        {
            for(int j = 0; j < i; j++)
            {
                threadNum++;
               WorkThread workThread = new WorkThread(taskVector, threadNum);
                workThreadVector.addElement(workThread);
            }
        }
…

注意同步workThreadVector并没有降低效率，相反提高了效率,请参考Brian Goetz的文章。销毁线程池的部分代码如下：

  …
        while(!workThreadVector.isEmpty())
        {
        if(debugLevel > 2)
         System.out.println("stop:"+(i));
         i++;
            try
            {
                WorkThread workThread = (WorkThread)workThreadVector.remove(0);
                workThread.closeThread();
                continue;
            }
            catch(Exception exception)
            {
                if(debugLevel > 2)
                    exception.printStackTrace();
            }
            break;
        }
   …

添加新任务的部分代码如下：

   …
        synchronized(taskVector)
        {
            taskVector.addElement(taskObj);
            taskVector.notifyAll();
        }
   …

工作线程是一个可以循环执行任务的线程，在没有任务时将等待。由于代码比较多在此不罗列.

任务接口是为所有任务提供统一的接口，以便工作线程处理。任务接口主要规定了任务的入口，任务执行完后的收尾工作，任务的执行状态等。在文章结尾有相关代码的下载。

以上所描述的线程池结构很简单，一些复杂的线程池结构将不再此讨论。

在下载代码中有测试驱动程序（TestThreadPool），我利用这个测试程序的输出数据统计出下列测试结果。测试有两个参数要设置：

线程池中线程数，即线程池尺寸。
要完成的任务数。

分别将一个参数固定，另一个参数变动以考察两个参数所产生的不同结果。所用测试机器分别为普通PC机（Win2000 JDK1.3.1）和SUN服务器(Solaris Unix JDK1.3.1)，机器配置在此不便指明。

表1:测试数据及对应结果

线程池尺寸	任务数	没有应用线程池所用的时间（单位:毫秒，OS:win）	应用线程池所用的时间（单位:毫秒，OS:win）	没有应用线程池所用的时间（单位:毫秒，OS:Solaris）	应用线程池所用的时间（单位:毫秒，OS:Solaris）
1	5000	3896	130	6513	327
2	5000	3455	151	6221	659
4	5000	3425	120	5448	433
8	5000	3475	160	5769	1478
16	5000	3505	211	5785	1970
32	5000	3455	251	6403	875
64	5000	3595	501	5182	1103
128	5000	3515	881	5154	405
256	5000	3495	3104	5502	1589
512	5000	3425	5488	5667	1262
16	1	20	0	22	3
16	2	20	20	21	13
16	4	20	10	27	10
16	8	20	20	22	24
16	16	30	20	29	48
16	32	40	20	46	108
16	64	60	20	72	199
16	128	110	20	148	335
16	256	201	20	252	132
16	512	411	40	522	382
16	1024	811	71	1233	610
16	2048	1552	80	2045	135
16	4096	2874	250	4828	787

图1.线程池的尺寸的对服务器程序的性能影响

根据以上统计数据可得出下图：

图2.任务数对服务器程序的冲击

数据分析如下：

图1是改变线程池尺寸对服务器性能的影响，在该测试过程中，服务器的要完成的任务数固定为为5000。从图1中可以看出合理配置线程池尺寸对于大量任务处理的效率有非常明显的提高，但是一旦尺寸选择不合理（过大或过小）就会严重降低影响服务器性能。理论上"过小"将出现任务不能及时处理的情况,但在图表中显示出某些小尺寸的线程池表现很好，这是因为测试驱动中有很多线程同步开销，且这个开销相对于完成单个任务的时间是不能忽略的。"过大"则会出现线程间同步开销太大的问题，而且在线程间切换很耗CPU时间，在图表显示的很清楚。可见任何一个好技术，如果滥用都会造成灾难性后果。

图2是用不同数量的任务来冲击服务器程序，在该测试过程中，服务器线程池尺寸固定为16。可以看出线程池在处理少量任务时的优势不明显。所以线程池技术有一定的适应范围，关于适用范围将在后面讨论。但对于大量的任务的处理，线程池的优势表现非常卓越，服务器程序处理请求的时间虽然有波动，但是其平均值相对小多了。

值得注意的是测试��案中，统计任务的完成时间没有包含了创建线程池的时间。在实际线程池工作时，即利用线程池处理任务时，创建线程池的时间是不必计算在内的。

由于测试驱动程序有很多同步代码，特别是等待线程执行完毕的同步（代码中为sleepToWait(long l)方法的调用），这些代码降低了代码执行效率，这是测试驱动一个缺点，但这个测试驱动可以说明线程池相对于简单使用线程的优势。

更多详情见请继续阅读下一页的精彩内容：

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