Java自定义线程池详解及代码实现(非直接调用ThreadPoolExecutor)

要实现自定义的线程池，首先得了解线程池的工作流程。
我们可以参考JDK中自定的线程池工作流程去理解，并实现其简化版本。

JDK中的线程池函数ThreadPoolExecutor

JDK中实现线程池的函数如下，其中包含了7个参数。

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) 

这7个参数的含义如下：

• corePoolSize表示线程池中的核心线程数，核心线程为常驻线程池中的线程的个数。
• maximumPoolSize表示最大线程数，其中救急线程个数等于maximumPoolSize - corePoolSize，救急线程为线程池核心线程已满，并且阻塞队列已满时使用的线程，救急线程并不会常驻线程池，其有空闲存活时间，可以通过之后的参数设定。
• keepAliveTime表示救急线程空闲存活时间，当救急线程没有任务时，等待keepAliveTime之后还没有任务，则消亡。
• unit 的时间单位。
• workQueue阻塞队列，当线程池中的核心线程都在工作时，之后来的任务会让在队列中等待执行。
• threadFactory 创建线程的工厂，一般用来为线程设定可辨识的名字。
• handler拒绝策略，当线程池无法执行之后来的任务的处理策略。一般包括 1）AbortPolicy 让调用者抛出RejectedExecutionException异常，这是默认策略 2）CallerRunsPolicy 让调用者运行任务 3）DiscardPolicy 放弃本次任务 4）DiscardOldestPolicy 放弃队列中最早的任务，本任务取而代之。我们也可以实现自己拒绝策略： 1) 死等 2) 带超时等待 3) 让调用者放弃任务执行 4) 让调用者抛出异常 5) 让调用者自己执行任务等。

JDK中的线程池执行任务时的流程

当我们调用JDK中的线程池执行任务时，其流程一般如下：

1. 当我们想向线程池提交任务时，如果线程池的线程数中小于核心线程数时，线程池新建核心线程，任务交给核心线程执行。
2. 如果线程池中线程数等于核心线程数，则将后来的任务放入到阻塞队列中，等待核心线程执行完任务之后，从队列中取任务执行。
3. 当核心线程都在工作，并且阻塞队列已满时，则创建救急线程，可创建的救急线程数为maximumPoolSize - corePoolSize，将任务交给救急线程执行。
4. 当核心线程已满、阻塞队列已满，救急线程已满时，则执行根据所提供的拒绝策略对后来的任务进行处理。

自定义线程池业务分析

我们可以对上述流程进行分析，简化处理去除掉救急线程，来完成自定义的线程池。

1. 定义阻塞队列。通过对线程池的业务分析，我们可以发现，当线程池中的线程都在工作时，后续的任务需要放置到阻塞队列中。之后线程池中的线程都是从阻塞队列中获取任务执行，新来的任务也是被放置到阻塞队列中。此处的工作方式，为生产者消费者模式。因为阻塞队列为多线程中的共享资源，所以需要加锁以确保共享资源的安全性。
2. 阻塞队列的实现分析。首先需要定义队列容量，定义双端队列来存储任务，此处任务类型可定义为泛型。之后需要定义两种方法，分别是任务存入队列的方法和从队列中获取任务的方法。在存和取得过程中使用可重入锁进行加锁判断。在取任务的过程中，加锁，如果过队列为空，则阻塞等待，也可以设置为带超时的阻塞等待，后续会附上代码，否则直接从队列中返回任务对象。在存任务的过程中，加锁，如果队列为满，则阻塞等待，也可以设置为带超时的阻塞等待，如果不为空，则存入。具体见之后的代码实现。
3. 定义线程池。首先需要设定核心线程数的大小，定义集合对象存储已经创建的线程，方便之后根据集合对象获取已创建的线程的个数。当新来任务时，如果集合的大小小于核心线程数则新建线程，执行任务。否则当核心线程已经全部工作时，需要将新来的任务放入阻塞队列中，等待线程执行完毕从阻塞队列中获取任务，相当于生产者与消费者模式中的消费者。
4. 定义线程对象。该线程对象继承自Thread类，并重写其run()方法。该线程对象即为线程池中的线程。我们在其run()方法中，编写线程执行任务的过程，任务我们定义为Runnable对象，通过调用在线程对象中run()方法中调用Runnable对象的run方法，执行任务，当执行完毕时候，该线程对象继续尝试从阻塞队列中获取任务，可以阻塞获取（即一直等待，有任务就执行，没任务就等待），或者超时等待（当超时之后，直接放弃获取）。
5. 定义拒绝策略。拒绝策略通过使用策略模型实现，我们只定义拒绝策略的接口，具体逻辑通过调用者实现。拒绝策略的使用情况。当阻塞队列已满时，如果还有新来的任务，则使用拒绝策略进行处理。当队列未满则直接添加。

以上就是自定义线程池所需要的对象方法，接下来我们使用Java代码一一实现。

自定义线程池的代码实现-注释详尽

我们将任务定义为Runnable对象，线程池中的线程对象为Thread的子类，这样就可以将Runnable对象，传给Thread进行处理。当然其他实现也可以，可以自行尝试。

1.定义阻塞队列

class BlockingQueue<T>{
    
    
    // 1.任务队列, 双向队列
    private Deque<T> queue = new ArrayDeque<>();

    // 2.锁
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    // 3.生产者条件变量
    private Condition fullWaitSet = lock.newCondition();

    // 4.消费者条件变量
    private Condition emptyWaitSet = lock.newCondition();

    // 5.容量
    private int capacity;

    public BlockingQueue(int capacity) {
    
    
        this.capacity = capacity;
    }

    // 超时阻塞获取任务
    public T pull(long timeout, TimeUnit unit){
    
    
        lock.lock();
        try{
    
    
            // 将超时时间统一转换为纳秒
            long nanos = unit.toNanos(timeout);
            // 取任务的时候，如果为空则需要等待
            while(queue.isEmpty()){
    
    
                // 超时的情况直接返回null
                if(nanos <= 0){
    
    
                    return null;
                }
                // 返回的是剩余的时间
                nanos = emptyWaitSet.awaitNanos(nanos);
            }
            T t = queue.removeFirst();
            // 唤醒放入的线程
            fullWaitSet.signal();
            return t;
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
    
    
            lock.unlock();
        }
    }

    // 阻塞获取任务
    public T take(){
    
    
        // 加锁
        lock.lock();
        try{
    
    
            // 取任务的时候，如果为空则需要等待
            while(queue.isEmpty()){
    
    
                emptyWaitSet.await();
            }
            T t = queue.removeFirst();
            fullWaitSet.signal();
            return t;
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
    
    
            lock.unlock();
        }
    }

    // 带超时时间的阻塞添加任务
    public boolean offer(T task, long timeout, TimeUnit timeUnit){
    
    
        lock.lock();
        try{
    
    
            long nanos = timeUnit.toNanos(timeout);
            // 添加任务时，如果队列已满则需要等待
            while(queue.size()==capacity ){
    
    
                System.out.println(task.toString() + " 等待加入任务队列" );
                if(nanos<=0){
    
    
                    return false;
                }
                nanos = fullWaitSet.awaitNanos(nanos);
            }
            queue.addLast(task);
            System.out.println("任务【" + task.toString() +  "】加入队列 " );
            emptyWaitSet.signal();
            return true;
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
    
    
            lock.unlock();
        }
    }

    // 阻塞添加任务
    public void put(T task){
    
    
        lock.lock();
        try{
    
    
            while(queue.size()==capacity){
    
    
                System.out.println(task.toString() + " 等待加入任务队列" );
                fullWaitSet.await();
            }
            queue.addLast(task);
            System.out.println("任务【" + task.toString() +  "】加入队列 " );
            emptyWaitSet.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
    
    
            lock.unlock();
        }
    }

    // 获取队列大小
    public int size(){
    
    
       lock.lock();
       try{
    
    
           return queue.size();
       }finally {
    
    
           lock.unlock();
       }
    }
    
    // 为使用拒绝策略所添加的向队列中添加任务的方法
    public void tryPut(RejectPolicy<T> rejectPolicy, T task) {
    
    
        lock.lock();
        try{
    
    
            // 队列已满
            if(queue.size()==capacity){
    
    
                rejectPolicy.reject(this,task);
            }else{
    
     // 有空闲
                queue.addLast(task);
                System.out.println("任务【" + task.toString() +  "】加入队列 " );
                emptyWaitSet.signal();
            }

        }finally {
    
    
            lock.unlock();
        }
    }
}

2.定义线程池以及线程对象内部类

class ThreadPool{
    
    
    // 任务队列
    private BlockingQueue<Runnable> taskQueue;

    // 线程集合
    private HashSet<Worker> workers = new HashSet<>();

    // 核心线程数
    private int coreSize;

    // 获取任务的超时时间，时间单位，当从队列中获取超时时，放弃获取
    private long timeout;
    private TimeUnit timeUnit;

    // 拒绝策略
    private RejectPolicy<Runnable> rejectPolicy;

    // 线程池传入任务的方法
    public void execute(Runnable task){
    
    
        // 当任务数没有超过coreSize,直接交给worker对象执行
        // 如果任务数超过coreSize时，加入任务队列
        // 因为集合workers为共享变量，所以此处也需要加锁
        synchronized (workers){
    
    
            if(workers.size() < coreSize){
    
    
                Worker worker = new Worker(task);
                System.out.println("新增worker " + worker.toString() + " 任务 " + task.toString());
                workers.add(worker);
                worker.start();
            }else{
    
    
                taskQueue.tryPut(rejectPolicy, task);
            }
        }
    }

    public ThreadPool(int coreSize, long timeout, TimeUnit timeUnit, int queueCapacity, RejectPolicy<Runnable> rejectPolicy) {
    
    
        this.coreSize = coreSize;
        this.timeout = timeout;
        this.timeUnit = timeUnit;
        this.taskQueue = new BlockingQueue<>(queueCapacity);
        this.rejectPolicy = rejectPolicy;
    }

    class Worker extends Thread{
    
    
        private Runnable task;

        private Worker(Runnable task) {
    
    
            this.task = task;
        }

        @Override
        public void run() {
    
    
            // 执行任务
            // 1.当task不为空，则执行任务
            // 2.当task执行完毕，接着去任务队列中获取并执行
            // 此处使用了短路逻辑
            while(task !=null || (task = taskQueue.pull(timeout, timeUnit)) !=null ){
    
    
                try{
    
    
                    System.out.println("正在执行: " + task.toString());
                    task.run();
                }catch (Exception e){
    
    
                    e.printStackTrace();
                }finally {
    
    
                    task = null;
                }
            }
            // 超时获取时，如果未获取到任务，则结束该线程
            synchronized (workers){
    
    
                System.out.println("worker 移除:" + this.toString());
                workers.remove(this);
            }
        }
    }
}

3.定义拒绝策略，只定义接口，之后策略由调用者传入。

interface RejectPolicy<T>{
    
    
    void reject(BlockingQueue<T> queue, T task);
}

自定义线程池代码测试

public class MyThreadPoolTest {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
         // 定义线程池，传入参数为线程数，超时时间(当获取任务时间超过改时间时，结果等待)
         // 时间单位， 队列容量，拒绝策略，此处出lambda表达式，因为我们实现的拒绝策略只有一个接口，所以可以这样写
         ThreadPool pool = new ThreadPool(1, 1000,
                 TimeUnit.MICROSECONDS, 1,(queue,task)->{
    
    
                 // 1.死等
                 // queue.put(task);
                 // 2.带超时的等待
                 // queue.offer(task, 1500, TimeUnit.MILLISECONDS);
                 // 3.让调用者放弃任务执行
                 // System.out.println("队列已满放弃等待");
                 // 4.抛出异常
                 throw new RuntimeException("任务执行失败，队列已满" + task);
                 // 5.自己执行
                 // task.run();
         });
        
         // 给线程池提交任务，循环3次，任务为打印，执行每次失眠一秒
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
    
    
            int id = i+1;
            pool.execute(()->{
    
    
                try {
    
    
                    Thread.sleep(1000L);
                } catch (InterruptedException e) {
    
    
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().toString()+ " " + id);
            });
        }
    }
}

测试结果;

结果分析;

我们创建了线程个数为1的线程池，并且阻塞队列也为1，拒绝策略为直接抛出异常。当有三个任务时，我们可以看到刚开始第一个任务JUC.MyThreadPoolTest$$Lambda$2/2074407503@4dd8dc3到来，线程池创建了线程对象，第二个任务JUC.MyThreadPoolTest$$Lambda$2/2074407503@568db2f2加入的阻塞队列，第一个任务执行。当第三个任务来时，因为线程池中线程正忙，阻塞队列已满，所以根据拒绝策略直接抛出了异常。当两个任务执行完毕之后，线程池中的线程尝试从阻塞队列中继续超时获取，但是超时之后未获取到，所以直接结束，并删除了线程池中的线程，任务结束。
其他的情况，可以自行尝试。