线程通信+线程池

本文探讨了生产者消费者问题的解决方案,包括管程法和信号灯法,重点介绍了如何使用Java的wait(), notify()和notifyAll()方法进行线程间通信。同时,讲解了线程池在并发场景中的应用,以及如何使用ExecutorService和Executors工具类来管理线程池,提升性能和资源利用率。

生产者消费者问题

这是一个线程同步问题,生产者和消费者共享同一个资源,并且生产者二号消费者之间相互依赖,互为条件。
  在生产者消费者问题中,仅有synchronized是不够的
    synchronized可阻止并发更新同一个共享资源,实现了同步
    synchronized不能用来实现不同线程之间的消息传递(通信)
Java提供了几个方法解决线程之间的通信问题

方法名作用
wait()表示线程一直等待,知道其他线程通知,与sleep不同(不释放锁),会释放锁
wait(long timeout)指定等待毫秒数
notify()唤醒一个处于等待状态的线程
notifyAll唤醒同一个对象上所有调用wait()方法的线程,优先级高的线程优先调度
注意:均是Object类的方法,都只能在同步方法或者同步代码块中使用,否则会抛出异常IIIegalMonitorStateException

解决方式

1.管程法
生产者将生产好的数据存入缓冲区,消费者从缓冲区拿出数据

package Thread;

public class Thread3 {
    public static void main(String[] args) {
    BufferArea bufferArea=new BufferArea();
    new Producer(bufferArea).start();
    new Consumer(bufferArea).start();

    }

}
//产品
class Product{
    int id;

    public Product(int id) {
        this.id = id;
    }
}
//生产者
class Producer extends Thread{
    BufferArea bufferArea;

    public Producer(BufferArea bufferArea) {
        this.bufferArea = bufferArea;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("生产第"+i+"个产品");
            bufferArea.pushProduct(new Product(i));
        }
    }
}
//消费者
class Consumer extends Thread{
    BufferArea bufferArea;

    public Consumer(BufferArea bufferArea) {
        this.bufferArea = bufferArea;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            System.out.println("拿走第"+bufferArea.getProduct().id+"产品");
        }
    }
}
//缓冲池
class BufferArea{
    //缓冲池长度为10;
    Product []products=new Product[10];
    //缓冲池数量
    int count=0;
    //生产者往缓冲池放入产品
    public synchronized void pushProduct(Product product){
        if(count==products.length){
            //如果缓冲池产品满了,停止生产,等待消费
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        products [count]=product;
        count++;
        //唤醒消费者消费
        this.notify();

    }
    //消费者消费产品
    public synchronized Product getProduct(){
        //如果缓冲池没有产品,停止消费,唤醒生产者生产
        if (count==0){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //有产品就取走
        count--;
        Product product=products[count];
        //唤醒生产者
        this.notify();

        return product;
    }




}

2.信号灯法
通过标志位体现

package Thread.Thread3;
//信号灯法  生产者消费者问题
public class ThreadTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        Television television=new Television();
        new Actor(television).start();
        new Audience(television).start();

    }


}
//生产者--》演员
class Actor extends Thread{
    Television television;

    public Actor(Television television) {
        this.television = television;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            if(i%2==0){
                this.television.Perform("<<世上只有妈妈好>>");
            }
            this.television.Perform("广告时间:送礼就送脑白金");

        }
    }
}
//消费者--》观众
class Audience extends Thread{
    Television television;

    public Audience(Television television) {
        this.television = television;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            this.television.Watch();
        }

    }
}

//产品
class Television {
//flag=true 演员表演,观众等待
//flag=false 观众观看,演员等待

    boolean flag=true;

    //节目内容为唱歌
   private String voice;
    //演员表演节目
    public synchronized void Perform( String voice){
   
        if(!flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            //演员表演完毕,提醒观看
    }else{
            System.out.println("节目内容为:"+voice);
            this.notifyAll();
            //传入参数
            this.voice=voice;
            //刷新标志位
            this.flag=!this.flag;
        }



    }
    //观众观看节目

public synchronized void Watch(){
      if(flag){
          try {
              this.wait();
          } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
          }
      }
    System.out.println("观看了"+voice);
      this.notifyAll();
    this.flag=!this.flag;

}
}

线程池


  背景:经常创建和销毁、使用量特别大的资源,比如并发情况下的线程,对性能影响很大。
  思路:提前创建好多个线程,放入线程池中,使用时直接获取,使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。
好处:
  提高响应速度(减少了创建新线程的时间)
  降低资源消耗(重复利用线程池中线程,不需要每次都创建)
  便于线程管理:

corePoolSize核心池大小
maximumPoolSize最大线程数
keepAliveTime线程没有任务时最多保持多久时间会终止

使用线程池


  JDK5.0后提供了线程池相关API:ExecutorService和Executors
  ExecutorService:真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor
  Executors:工具类、线程池的工厂类,用于创建并返回不同类型的线程池

void execute(Runnable command)执行命令,没有返回值,一般执行Runnable
《T》Future 《T》submit(Callable《T》task)执行命令,有返回值,一般执行Callable
void shutdown();关闭连接池
package Thread.Thread3;

import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class PoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        //创建
        ExecutorService service= Executors.newFixedThreadPool(5);
        Test test=new Test();
        //执行
        service.execute(test);
        service.execute(test);
        service.execute(test);
        //关闭
        service.shutdown();
    }
}
class Test implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

ps:b站狂神学习

<think>好的,我现在需要帮助用户编写一个单线程事件循环加线程池的例子。首先,我需要回顾之前的对话,看看用户的需求是什么。用户之前问了关于多线程下使用多个multi可能引发的问题,现在他们想要一个具体的例子来展示如何用单线程事件循环配合线程池来处理高并发。 用户可能对事件循环和线程池的概念有一定的了解,但需要具体的代码示例来理解如何实现。他们可能是在开发一个需要处理大量I/O操作的应用,比如网络服务器或爬虫,希望提高性能同时避免资源竞争和系统资源耗尽的问题。 接下来,我需要确定使用哪种编程语言。用户之前的例子中提到了Python的asyncio,但可能他们更倾向于通用的实现方法。不过,考虑到Python在异步编程中的流行,以及asyncio库的易用性,使用Python作为示例语言是合理的。此外,用户可能希望看到实际的代码结构,而不仅仅是伪代码,这样更容易理解和应用。 然后,我需要设计一个例子,展示主线程负责事件循环,处理I/O事件,而耗时操作交给线程池处理。这样主线程不会被阻塞,可以继续处理其他事件,提高并发能力。需要确保线程池和事件循环之间的通信机制,比如使用队列或者回调函数。 考虑到用户可能不太熟悉异步编程的具体实现,代码需要简洁明了,注释详细。可能需要用到asyncio库的事件循环,以及concurrent.futures模块的ThreadPoolExecutor来管理线程池。同时,要展示如何将阻塞操作(如文件I/O、网络请求)卸载到线程池中执行,保持事件循环的响应性。 另外,需要注意线程安全和资源共享的问题。在线程池中执行的任务如果涉及到共享资源,可能需要使用锁或其他同步机制。不过,在示例中可能不需要复杂的情况,保持简单,突出事件循环和线程池的结合即可。 还要考虑错误处理,比如任务执行过程中出现异常时,如何捕获并处理,避免整个程序崩溃。此外,可能需要展示如何关闭事件循环和线程池,释放资源。 最后,总结这个架构的优势,比如高效利用资源、避免阻塞主循环、适合I/O密集型任务等,帮助用户理解何时以及如何应用这种模式。 现在,我需要将这些思考转化为具体的代码示例,确保结构清晰,关键部分有注释,并附上说明,解释各个部分的作用和整体工作流程。同时,指出可能的扩展和注意事项,帮助用户根据实际需求进行调整。</think>以下是一个基于 **单线程事件循环(I/O 多路复用) + 线程池** 的 Python 示例代码,使用 `asyncio` 和 `concurrent.futures` 实现: ```python import asyncio import concurrent.futures import time import random # 模拟一个耗时的阻塞型操作(如 I/O、网络请求、计算) def blocking_io_task(task_id): print(f"[ThreadPool] Task {task_id} started") time.sleep(random.randint(1, 3)) # 模拟耗时操作 return f"Result of task {task_id}" # 主事件循环协程:负责监听 I/O 事件,调度任务到线程池 async def main_event_loop(): # 创建线程池(限制最大线程数) thread_pool = concurrent.futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=3) loop = asyncio.get_running_loop() # 模拟多个并发任务(例如接收到的网络请求) tasks = [loop.run_in_executor(thread_pool, blocking_io_task, i) for i in range(10)] # 异步等待所有任务完成,并处理结果 for future in asyncio.as_completed(tasks): result = await future print(f"[EventLoop] Received: {result}") if __name__ == "__main__": asyncio.run(main_event_loop()) ``` --- ### **代码解析** #### **1. 线程池与事件循环分工** | 组件 | 职责 | |--| | **主事件循环** | 单线程运行,通过 `asyncio` 监听 I/O 事件,调度任务到线程池,处理回调 | | **线程池** | 执行阻塞型任务(如 `time.sleep`),避免阻塞事件循环 | #### **2. 关键步骤** 1. **创建线程池** ```python thread_pool = concurrent.futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=3) ``` - 限制线程数为 3,防止资源耗尽。 2. **提交任务到线程池** ```python loop.run_in_executor(thread_pool, blocking_io_task, i) ``` - 将阻塞函数 `blocking_io_task` 提交到线程池执行,返回一个 `asyncio.Future`。 3. **异步等待结果** ```python for future in asyncio.as_completed(tasks): result = await future print(f"[EventLoop] Received: {result}") ``` - 通过 `as_completed` 按完成顺序处理结果,保持事件循环高效。 --- ### **输出示例** ```python [ThreadPool] Task 0 started [ThreadPool] Task 1 started [ThreadPool] Task 2 started # 线程池最多并行 3 个任务 [EventLoop] Received: Result of task 2 [ThreadPool] Task 3 started # 前一个任务完成后,新任务立即加入 [EventLoop] Received: Result of task 0 [ThreadPool] Task 4 started ... ``` --- ### **架构优势** | 优势 | 说明 | |--------| | **非阻塞主循环** | 事件循环线程不会被阻塞,能同时处理其他 I/O(如 HTTP 请求、数据库响应) | | **资源可控** | 通过 `max_workers` 限制线程数,避免系统过载 | | **高效利用 CPU** | 适合 I/O 密集型场景(如网络服务),线程池处理阻塞逻辑 | --- ### **扩展场景** #### **结合网络 I/O(如 HTTP 服务器)** ```python from aiohttp import web async def handle_request(request): # 将阻塞任务提交到线程池 result = await loop.run_in_executor(thread_pool, blocking_io_task, 100) return web.Response(text=result) app = web.Application() app.add_routes([web.get('/', handle_request)]) if __name__ == "__main__": web.run_app(app) ``` #### **动态任务提交** ```python async def submit_dynamic_task(): while True: new_task_id = generate_task() # 模拟动态生成任务 future = loop.run_in_executor(thread_pool, blocking_io_task, new_task_id) asyncio.create_task(process_result(future)) async def process_result(future): result = await future print(f"Processed: {result}") ``` --- ### **注意事项** 1. **线程安全** - 如果线程池任务涉及共享资源(如全局变量、文件写入),需使用锁(`threading.Lock`)。 2. **错误处理** - 在 `await future` 时捕获异常: ```python try: result = await future except Exception as e: print(f"Task failed: {e}") ``` 3. **性能调优** - 根据任务类型调整 `max_workers`(I/O 密集型可设高,CPU 密集型建议接近 CPU 核心数)。
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