JAVA進階：一個簡單Thread緩衝池的實現

在應用中，我們常常需要Thread緩衝池來做一些事以提高程式的效率和併發性。本文演示瞭如何利用Queue這種資料結構實現一個簡單的Thread緩衝池。

一個Thread緩衝池可以設計成以下這樣：緩衝池由幾個工作Thread和一個Queue組成，Client負責把任務放到Queue裡面（put方法），而工作Thread就依次取出這些任務並執行它們（get方法）。

Queue的一個經典實現是使用一個迴圈陣列（這個實現在很多資料結構的書上都有介紹），如一個大小為size的陣列，這個迴圈陣列可以被想象成首尾相連的一個環。oldest指向Queue中最老的資料所在的位置，next指向下一個可以放新資料的位置。

放入一個新資料到next的位置後，需要更新next：next = (next + 1) % size;

從oldest位置取出一個資料後，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裡面最多能放size-1個資料。）

因為這個Queue會同時被多個執行緒訪問，需要考慮在這種情況下Queue如何工作。首先，Queue需要是執行緒安全的，可以用Java裡的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。在多執行緒訪問遇到這種情況時，一般希望執行操作的執行緒可以等待（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方法後，再繼續執行下去。在Java裡面，Object物件的 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。;-)
在以上程式碼中使用了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物件來表現Thread緩衝池所要執行的任務。可以發現JDK中的Runnable interface非常合適這個角色。

最後，剩下工作執行緒的實現就很簡單了：從SyncQueue裡取出一個Runnable物件並執行它。

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緩衝池的例子：

//構造Thread緩衝池
SyncQueue queue = new SyncQueue(10);
for (int i = 0; i < 5; i ++) {
new Thread(new Worker(queue)).start();
}
//使用Thread緩衝池
Runnable task = new MyTask();
queue.put(task);

為了使本文中的程式碼儘可能簡單，這個Thread緩衝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新增，比如異常處理，動態調整緩衝池大小等等。[@more@]