java 多线程之Worker Thread模式(Thread Pool模式)

news2025/4/19 14:56:32
Worker Thread模式

Worker的意思是工作的人,在Worker Thread模式中,工人线程Worker thread会逐个取回工作并进行处理,当所有工作全部完成后,工人线程会等待新的工作到来。

Worker Thread模式也被成为Background Thread(背景线程)模式,另外,如果从保存多个工人线程的场所这一点看,我们也可以称这种模式为Thread Pool模式。

Worker Thread模式中的角色

TransPortThread [将部件塞到传送带上](委托者)
创建表示工作请求的Cargo并将其传递给SimpleChannel 。在示例程序中,TransPortThread 相当于该角色。

2.SimpleChannel [传送带的角色](通信线路)
SimpleChannel 角色接受来自于TransPortThread 的Cargo,并将其传递给WorkerThread。在示例程序中,SimpleChannel 相当于该角色。

3.WorkerThread(工人)
WorkerThread角色从Channel中获取Cargo,并进行工作,当一项工作完成后,它会继续去获取另外的Cargo,在示例程序中,WorkerThread相当于该角色。

4.Cargo(部件)
Cargo角色是表示工作中的部件,Cargo角色中保存了进行工作所必须的信息,在示例程序中,Cargo相当于该部件角色。

Worker Thread使用场景

想象这样一个场景,一个工厂在生产货物,在一个车间里,有几个工人,每次生产部件准备后,车间外的人就将部件放到车间的传送带上,工人每次做完一个货品就从桌子上取部件。在这里,注意到,部件并不是直接交给工人的,另外一点,工人并不是做完一个部件就回家换个新人,后者在现实有点滑稽,但是在程序中却对应一个典型的线程使用方法:线程池。

所谓线程池,就是对线程的复用,当线程执行完任务之后就继续取其他任务执行,而不是销毁启动新线程执行其他任务。因为线程的启动对于系统性能开销比较大,所以这样对于系统性能的提高很有好处。

Main.java
public class WorkClient {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建容量为5的SimpleChannel实例(数据缓冲通道)
        SimpleChannel simpleChannel = new SimpleChannel(5);

        // 启动工作通道开始处理数据(消费者启动)
        simpleChannel.startWork();

        // 启动三个数据传输线程(生产者角色)
        new TransPortThread("june", simpleChannel).start();
        new TransPortThread("july", simpleChannel).start();
        new TransPortThread("alen", simpleChannel).start();
    }

}
Cargo.java

角色:部件或货物

import java.util.Optional;

/**
 * 货物类,包含货物编号和名称,并提供执行操作时打印线程执行信息的功能
 *
 * @author [请填写作者名称]
 * @version 1.0
 */
public class Cargo {

    /**
     * 货物名称
     */
    private final String name;

    /**
     * 货物编号
     */
    private final int num;

    /**
     * 构造方法,初始化货物信息
     *
     * @param name 货物名称
     * @param num  货物编号
     */
    public Cargo(String name, int num) {
        this.name = name;
        this.num = num;
    }

    /**
     * 执行货物处理操作,打印当前线程名称和货物信息
     */
    public void execute(){
        Optional.of(Thread.currentThread().getName()+" executed "+this.toString()).ifPresent(System.out::println);
    }

    /**
     * 获取货物信息的字符串表示
     *
     * @return 格式化后的货物信息(例如:Cargo ==> NO.123 Name.ItemA)
     */
    @Override
    public String toString() {
        return "Cargo ==> NO."+num+" Name."+name;
    }
}
SimpleChannel.java

职责:将部件或货物从源头传给处理端

import java.util.Arrays;

/**
 * 简单线程通信通道,管理货物队列和工作线程池
 * 使用环形缓冲区实现生产者-消费者模式,通过synchronized和wait/notify机制保证线程安全
 */
public class SimpleChannel {

    /** 缓冲区最大容量 */
    private static final int BUFFER_SIZE = 100;

    /** 环形缓冲区数组,存储货物对象 */
    private final Cargo[] cargoQueue;

    /** 队列头指针,指向下一个要取出的元素位置 */
    private int headIndex;

    /** 当前队列中的元素数量 */
    private int count;

    /** 队列尾指针,指向下一个要插入的元素位置 */
    private int tailIndex;

    /** 工作线程池 */
    private final WorkerThread[] workerPool;

    /**
     * 构造方法初始化通道
     * @param workerCount 工作线程数量
     */
    public SimpleChannel(int workerCount) {
        this.cargoQueue = new Cargo[BUFFER_SIZE];
        this.headIndex = 0;
        this.count = 0;
        this.tailIndex = 0;
        this.workerPool = new WorkerThread[workerCount];
        this.init();
    }

    /**
     * 初始化工作线程池
     * 为每个线程设置名称并绑定当前通道实例
     */
    private void init() {
        for (int i = 0; i < workerPool.length; i++) {
            workerPool[i] = new WorkerThread("worker-"+i, this);
        }
    }

    /**
     * 启动所有工作线程开始工作
     * 通过遍历线程池调用start()方法启动每个线程
     */
    public void startWork() {
        Arrays.asList(workerPool).forEach(WorkerThread::start);
    }

    /**
     * 生产者添加货物到缓冲区
     * @param cargo 要添加的货物对象
     * @throws InterruptedException 线程中断异常
     */
    public synchronized void pushCargo(Cargo cargo) {
        while (count >= BUFFER_SIZE) {
            try {
                this.wait(); // 缓冲区满时等待
            } catch (InterruptedException e) {
                // 异常处理(建议补充日志)
            }
        }
        // 添加货物到尾部并更新指针
        this.cargoQueue[tailIndex] = cargo;
        this.tailIndex = (this.tailIndex + 1) % this.cargoQueue.length;
        this.count++;
        this.notifyAll(); // 通知等待线程
    }

    /**
     * 消费者从缓冲区取出货物
     * @return 取出的货物对象
     * @throws InterruptedException 线程中断异常
     */
    public synchronized Cargo popCargo() {
        while (count <= 0) {
            try {
                this.wait(); // 缓冲区空时等待
            } catch (InterruptedException e) {
                // 异常处理(建议补充日志)
            }
        }
        // 取出头部元素并更新指针
        Cargo cargo = this.cargoQueue[headIndex];
        this.headIndex = (this.headIndex + 1) % this.cargoQueue.length;
        this.count--;
        this.notifyAll(); // 通知等待线程
        return cargo;
    }
}
TransPortThread .java

职责:将请求的信息塞到传输通道上去

/**
 * 运输线程,负责持续生成货物并推送到传输通道 {@link SimpleChannel}
 */
public class TransPortThread extends Thread {

    private SimpleChannel simpleChannel;

    /**
     * 静态随机数生成器,用于生成随机休眠时间
     */
    private static final Random RANDOM = new Random(System.currentTimeMillis());

    /**
     * 构造方法
     *
     * @param name 线程名称
     * @param simpleChannel 货物传输通道
     */
    public TransPortThread(String name, SimpleChannel simpleChannel) {
        super(name);
        this.simpleChannel = simpleChannel;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            int i = 0;
            // 无限循环持续生成货物
            while (true){
                Cargo cargo = new Cargo(getName(), i++); // 创建货物对象(包含线程名和序号)
                this.simpleChannel.pushCargo(cargo);   // 将货物推送到通道
                Thread.sleep(RANDOM.nextInt(1000));    // 随机休眠 0-1000ms
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            // 线程中断时的异常处理(当前空实现)
        }
    }
}
WorkerThread.java

职责:从传输带上获取部件或货物

import java.util.Random;
/**
 * 工作线程类,负责从共享通道中持续获取任务并执行
 */
public class WorkerThread extends Thread {

    /**
     * 存储任务通道实例,用于获取待处理的任务对象
     */
    private final SimpleChannel simpleChannel;

    /**
     * 静态随机数生成器,用于生成随机休眠时间(模拟任务执行间隔)
     */
    private static final Random random = new Random(System.currentTimeMillis());

    /**
     * 构造方法初始化线程名称和任务通道
     * @param name 线程名称标识
     * @param simpleChannel 任务通道对象,用于获取待处理任务
     */
    public WorkerThread(String name, SimpleChannel simpleChannel) {
        super(name);
        this.simpleChannel = simpleChannel;
    }

    /**
     * 线程执行主体方法,持续循环执行以下操作:
     * 1. 从通道中获取任务对象
     * 2. 执行任务
     * 3. 随机休眠(模拟任务处理间隔)
     */
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                // 从通道中获取任务对象
                Cargo cargo = simpleChannel.popCargo();
                // 执行任务逻辑
                cargo.execute();
                // 随机休眠0-1000毫秒(模拟任务间隔)
                Thread.sleep(random.nextInt(1000));
            } catch (Exception e) {
                // 异常处理:打印堆栈信息(实际应用中建议添加更完善的异常处理)
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

执行的结果

worker-1 executed Cargo ==> NO.0 Name.alen
worker-0 executed Cargo ==> NO.0 Name.june
worker-4 executed Cargo ==> NO.0 Name.july
worker-3 executed Cargo ==> NO.1 Name.june
worker-0 executed Cargo ==> NO.1 Name.alen
worker-2 executed Cargo ==> NO.1 Name.july
worker-1 executed Cargo ==> NO.2 Name.june
worker-0 executed Cargo ==> NO.2 Name.july
worker-2 executed Cargo ==> NO.2 Name.alen
worker-3 executed Cargo ==> NO.3 Name.june
worker-4 executed Cargo ==> NO.4 Name.june
worker-2 executed Cargo ==> NO.3 Name.alen
worker-3 executed Cargo ==> NO.3 Name.july
worker-4 executed Cargo ==> NO.5 Name.june
worker-1 executed Cargo ==> NO.6 Name.june
worker-0 executed Cargo ==> NO.4 Name.alen
worker-2 executed Cargo ==> NO.7 Name.june
worker-3 executed Cargo ==> NO.5 Name.alen
worker-2 executed Cargo ==> NO.4 Name.july
worker-4 executed Cargo ==> NO.6 Name.alen
worker-0 executed Cargo ==> NO.5 Name.july
worker-2 executed Cargo ==> NO.8 Name.june
worker-3 executed Cargo ==> NO.7 Name.alen
worker-1 executed Cargo ==> NO.6 Name.july
worker-4 executed Cargo ==> NO.8 Name.alen
worker-4 executed Cargo ==> NO.9 Name.june
worker-2 executed Cargo ==> NO.10 Name.june
worker-3 executed Cargo ==> NO.9 Name.alen
worker-1 executed Cargo ==> NO.7 Name.july
worker-2 executed Cargo ==> NO.10 Name.alen
worker-4 executed Cargo ==> NO.11 Name.alen
worker-3 executed Cargo ==> NO.11 Name.june
worker-0 executed Cargo ==> NO.8 Name.july
worker-4 executed Cargo ==> NO.12 Name.alen
worker-3 executed Cargo ==> NO.12 Name.june
worker-4 executed Cargo ==> NO.13 Name.alen
worker-1 executed Cargo ==> NO.9 Name.july
worker-2 executed Cargo ==> NO.14 Name.alen
worker-0 executed Cargo ==> NO.13 Name.june
worker-4 executed Cargo ==> NO.15 Name.alen
worker-2 executed Cargo ==> NO.10 Name.july
worker-1 executed Cargo ==> NO.14 Name.june
worker-3 executed Cargo ==> NO.15 Name.june
worker-4 executed Cargo ==> NO.16 Name.alen
worker-3 executed Cargo ==> NO.11 Name.july
worker-2 executed Cargo ==> NO.12 Name.july
worker-0 executed Cargo ==> NO.16 Name.june
worker-1 executed Cargo ==> NO.17 Name.june
worker-2 executed Cargo ==> NO.18 Name.june
worker-2 executed Cargo ==> NO.17 Name.alen
worker-4 executed Cargo ==> NO.13 Name.july
worker-0 executed Cargo ==> NO.18 Name.alen
worker-0 executed Cargo ==> NO.19 Name.june
worker-3 executed Cargo ==> NO.14 Name.july
worker-1 executed Cargo ==> NO.19 Name.alen
worker-2 executed Cargo ==> NO.20 Name.june
worker-3 executed Cargo ==> NO.21 Name.june
worker-0 executed Cargo ==> NO.15 Name.july
worker-3 executed Cargo ==> NO.20 Name.alen
worker-4 executed Cargo ==> NO.21 Name.alen
worker-3 executed Cargo ==> NO.22 Name.june
worker-1 executed Cargo ==> NO.16 Name.july
worker-2 executed Cargo ==> NO.17 Name.july
worker-0 executed Cargo ==> NO.23 Name.june

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