Java多线程编程(四)- 阻塞队列，生产者消费者模型，线程池

robin_suli2024-11-11 2:03

目录：

一.阻塞队列

二.线程池

一.阻塞队列

1.阻塞队列是⼀种特殊的队列. 也遵守 "先进先出" 的原则
阻塞队列能是⼀种线程安全的数据结构, 并且具有以下特性：
1.1.当队列满的时候, 继续入队列就会阻塞, 直到有其他线程从队列中取走元素
1.2.当队列空的时候, 继续出队列也会阻塞, 直到有其他线程往队列中插入元素

阻塞队列最主要的应用场景--->生产者消费者模型

2.生产者消费者模型的优点：

解耦合：
两个线程或者两个服务器之间如果直接访问，那么他们的耦合度就会很高，这个时候如果加入阻塞队列，让这两个服务器分别和这个阻塞队列交互，就会达到解耦合的目的

削峰填谷：

阻塞队列的重要程度不小，所以也会直接会搞成几个服务器

缺点：

(1).效率会降低

(2).部署更多服务器生产环境复杂，管理起来比较麻烦

3.生产者消费者模型的实现：

自己实现一个阻塞队列，实现生产者消费者模型

代码：

java 复制代码 
class MyBlockingQueue{

    private String[] data = null;

    private int head = 0;//队首
    private int tail = 0;//队尾
    private int size = 0;//元素个数

    MyBlockingQueue(int capacity){
        data = new String[capacity];
    }

    //入队列
    public void put(String elem) throws InterruptedException {
        synchronized (this) {
            while (size >= data.length) {
                //阻塞
                this.wait();//队列不满时唤醒,其他线程take
            }
            data[tail] = elem;

//        tail = (tail+1) % data.length;

            tail++;
            if (size >= data.length) {
                tail = 0;
            }

            size++;
            this.notify();
        }

    }

    public String take() throws InterruptedException {

        synchronized (this) {
            while (size == 0) {
                //阻塞
                this.wait();//队列不空时唤醒,其他线程put
            }
            String ret = data[head];
            head++;
            if (size >= data.length) {
                head = 0;
            }

//        head = (head+1) % data.length;

            size--;
            this.notify();
            return ret;
        }
    }

}

使用： 至少一个生产者线程，一个消费者线程

java 复制代码 
 public static void main(String[] args) {
        MyBlockingQueue queue = new MyBlockingQueue(100);

        Thread producer = new Thread(()->{
            int n = 0;
            while (true){
                try {
                    queue.put(n + "");
                    System.out.println("生产元素 " + n);
                    Thread.sleep(1000);

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                n++;
            }
        },"producer ");


        Thread consumer = new Thread(()->{

            while (true){
                try {
                    String n = queue.take();
                    System.out.println("消费元素 " + n);
                    Thread.sleep(1000);

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"consumer ");


        producer.start();
        consumer.start();
    }

现象：这里Sleep加在生产者哪，导致产生的慢，队列可能为空阻塞，导致生产一个消费一个

4.标准库中的阻塞队列：
在 Java 标准库中内置了阻塞队列. 如果我们需要在⼀些程序中使⽤阻塞队列, 直接使⽤标准库中的即可.
BlockingQueue 是⼀个接口. 真正实现的类是 有链表类型LinkedBlockingQueue.
也有循环数组类型ArrayBlockingQueue

注意：
put 方法用于阻塞式的⼊队列, take ⽤于阻塞式的出队列.
BlockingQueue 也有 offer, poll, peek 等⽅法, 但是这些方法不带有阻塞特性

java 复制代码 
public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingDeque<>();

        Thread producer = new Thread(()->{
            int n = 0;
            while (true){
                try {
                    queue.put(n);
                    System.out.println("生产元素 " + n);
                    Thread.sleep(1000);

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                n++;
            }
        },"producer ");


        Thread consumer = new Thread(()->{

            while (true){
                try {
                    Integer n = queue.take();
                    System.out.println("消费元素 " + n);
                    Thread.sleep(1000);

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"consumer ");


        producer.start();
        consumer.start();
    }

二.线程池 ：

1.线程是什么？

里面有大量的线程可以直接给我们使用，不用系统去创建让我们高效的创建销毁线程，就和常量池类似，在Java程序构建时候准备好，等程序运行时直接加载到内存中使用

2.为什么要有线程池？

就是****让我们高效的创建销毁线程，就像创建进程太慢了引入线程一样的道理。

3. 为什么直接从线程池取线程比创建线程快？

因为操作中唯一，一份内核要为很多应用程序提供服务，相当于创建线程交给了操作系统，这是不可控的 (如果要创建线程A，而操作系统有很多线程，创建分配资源是不可控的，可能很晚才轮到A，所以还不如，通过代码的方式创建好线程这样就可控且高效)
4.Java标准库中的线程池：

ThreadPoolExecutor里有一些线程 可以让这些线程执行任务主要涉及的方法有：

核心方法submit(Runnable),

Runnable描述一段要执行的任务

submit把任务放到线程池中执行

构造ThreadPoolExecutor这个类构造方法最多有7个

接下来我们来分析这7个参数

注：Java线程池中有几个线程任务多时自动创建出多个线程，任务少时会销毁

corePoolSize:为核心线程数，核心线程在线程池创建时就创建，一直到线程池销毁才会跟着销毁

maximumPoolSize:为最大线程数 (核心线程+非核心线程)非核心线程就是上面说的线程任务多时自动创建出多个线程，任务少时会销毁

keepAliveTime:非核心线程允许存活的最大时间，（非核心线程不是任务少时立即销毁，会有一段存活时间 ）

**unit:**定义一些枚举，比如上面线程存活时间，的时间

workQueue：工作队列(阻塞队列)（线程池的本质也是，生产者消费者模型，调用submit就是在生产任务，线程池则消费任务，线程池相当于消费者）

threadFactory: 工厂模式（工厂模式也属于一种设计模式），弥补构造方法的缺陷，但是在构造方法上有时候无法重载，如果必须要系统类型的参数时

这个时候就可以单独封装一个工厂类去实现构造，用静态的方法，把构造对象过程和各种属性初始化封装起来。

java 复制代码 
class PointFactory {
    public static Point makePointByXY(double x, double y) {
        Point p = new Point();
        // 通过 x 和 y 给 p 进行属性设置
        return p;
    }

    public static Point makePointByRA(double r, double a) {
        Point p = new Point();
        // 通过 r 和 a 给 p 进行属性设置
        return p;
    }
}

**handler：**拒绝策略，submit方法把任务添加到阻塞队列中不会阻塞(阻塞会影响客户端的体验)，而是使用拒绝策略 ；具体怎么拒绝还要引入四个类说明：

(1).AbortPolicy: 线程池直接抛出异常，可能导致线程池无法继续工作。

(2).CallerRunsPolicy: 让调用submit方法的线程自己去执行任务

(submit方法里可能先判断队列是否满，如果满了再判断是否执行CallerRunsPolicy策略，如果要执行，就调用里面的Runnable.run；让调用者线程自己去执行任务)

(3).DiscardOldesPolicy: 丢弃队列中最老的任务

(4).DiscardPolicy: 丢弃队列中最新的任务(当前submit这个任务)

5.Java标准库也提供了另外一组类Executors，对 ThreadPoolExecutor这个类进一步封装，来简化线程池的使用，由于被进一步封装线程数目和拒绝策略是隐式的，规模大业务多的公司不好控制，所以阿里巴巴编程规范手册里，不推荐使用，但是大多数公司还是支持的具体看公司规范。

newFixedThreadPool: 创建固定线程数的线程池
newCachedThreadPool: 创建线程数⽬动态增⻓的线程池.
newSingleThreadExecutor: 创建只包含单个线程的线程池

6.自己实现线程池：

线程池相当于消费者，消费阻塞队列里的任务，线程池的实现也是基于生产者消费者模型的：

java 复制代码 
package demo;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

/**
 * Created with IntelliJ IDEA.
 * Description:
 * User: 苏李涛
 * Date: 2024-10-22
 * Time: 16:48
 */

// 实现一个固定线程个数的线程池

class MyThreadPool{
    BlockingQueue<Runnable> queue = null;

    MyThreadPool(int n){

        // 初始化线程池，创建固定个数的线程
        // 这里使用ArrayBlockingQueue作为任务队列, 容量为1000

        queue = new ArrayBlockingQueue<>(1000);

        // 创建 N 个线程
        for(int i = 0; i < n; i++) {

            Thread t = new Thread(()->{

               try {
                   while (true){
                       Runnable task = queue.take();
                       task.run();
                   }
               }catch (InterruptedException e){
                   e.printStackTrace();
               }
            });

            t.setDaemon(true);//把线程设置为后台线程，方便结束，注意：此方法必须在线程启动之前调用
            t.start();
        }
    }


    public void submit(Runnable task){
        task.run();
    }

}

public class Demo1 {
    public static void main(String[] args) {
        MyThreadPool pool = new MyThreadPool(10);

        // 向线程池提交任务
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            int id = i;
            pool.submit(()->{
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" "+ "id=" + id);
            });
        }
    }
}
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