线程模型

所以，我们需要一个确定数量的线程在JVM中运行，这样就需要了解“线程池”(ThreadPool)的概念。线程池在多线程程序设计中是比不可少的，而且初学者不太容易掌握，下面通过对线程池的介绍，结合第3和第4个程序，引出两种常用的线程池模型。

    第一种实现线程池的方法是：创建一个”池“，在”池“中增加要处理的数据对象，然后创建一定数量的线程，这些线程对”池“中的对象进行处理。当”池“是空的时候，每个线程处于等待状态；当往”池“里添加一个对象，通知所有等待的线程来处理（当然一个对象只能有一个线程来处理）。

    第二种方法是：同样创建一个”池“，但是在”池“中放的不是数据对象，而是线程，可以把”池“中的一个个线程比喻成一个个”工人“，当没有任务的时候，”工人“们严阵以待；当给”池“添加一个任务后，”工人“就开始处理并直到处理完成。

    在第3个程序中，定义了List类型的entries作为“池”，这个“池”用来保存需要扫描的端口，List中的元素必须是Object类型，不能用基本数据类型int往池里添加，而需要用使用Integer。在processMethod()方法中，首先就启动一定数量的PortThread线程，同时在while循环中通过entries.add(0, new Integer(port))往“池”里添加对象。在PortThread类的run()方法中通过entry = (Integer)entries.remove(entries.size()-1);取得“池”中的对象，转换成int后传递给Socket构造方法。
    第3个程序如下：
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import java.io.IOException;
import java.net.InetAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
import java.util.Collections;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

public class PortScanner {
    private List entries = Collections.synchronizedList(new LinkedList());  //这个”池“比较特别
    int numofthreads;
    static int port;
    int beginport;
    int endport;
    InetAddress remote = null;
   
    public boolean isFinished(){
        if(port >= endport){
            return true;
        }else{
            return false;
        }
    }
   
    PortScanner(InetAddress addr, int beginport, int endport, int numofthreads){
        this.remote = addr;
        this.beginport = beginport;
        this.endport = endport;
        this.numofthreads = numofthreads;   
    }
   
    public void processMethod(){
        for(int i = 0; i < numofthreads; i++){          //创建一定数量的线程并运行
            Thread t = new PortThread(remote, entries, this);
            t.start();
        }
        
        port = beginport;
        
        while(true){
            if(entries.size() > numofthreads){
                try{
                    Thread.sleep(1000);      //”池“中的内容太多的话就sleep
                }catch(InterruptedException ex){
                    
                }
                continue;
            }
            
            synchronized(entries){
                if(port > endport) break;
                entries.add(0, new Integer(port));  //往”池“里添加对象，需要使用int对应的Integer类
                entries.notifyAll();
                port++;
            }
        }
    }
   
    public static void main(String[] args) {
        String host = null;
        int beginport = 1;
        int endport = 65535;
        int nThreads = 100;
        try{
            host = args[0];
            beginport = Integer.parseInt(args[1]);
            endport = Integer.parseInt(args[2]);
            nThreads = Integer.parseInt(args[3]);
            if(beginport <= 0 || endport >= 65536 || beginport > endport){
                throw new Exception("Port is illegal");
            }
        }catch(Exception e){
            System.out.println("Usage: java PortScannerSingleThread host beginport endport nThreads");
            System.exit(0);
        }
        
        try{
            PortScanner scanner = new PortScanner(InetAddress.getByName(host), beginport, endport, nThreads);
            scanner.processMethod();
        }catch(UnknownHostException ex){
        }   
    }
}

class PortThread extends Thread{
    private InetAddress remote;
    private List entries;
    PortScanner scanner;
   
    PortThread(InetAddress add, List entries, PortScanner scanner){
        this.remote = add;
        this.entries = entries;
        this.scanner = scanner;
    }
            
    public void run(){
        Integer entry;
        while(true){
            synchronized(entries){
                while(entries.size() == 0){
                    if(scanner.isFinished()) return;
                    try{
                        entries.wait();           //”池“里没内容就只能等了
                    }catch(InterruptedException ex){
                    }
                }
                entry = (Integer)entries.remove(entries.size()-1);  //把”池“里的东西拿出来进行处理
            }
            
            Socket s = null;
            
            try{
                s = new Socket(remote, entry.intValue());
                System.out.println("The port of " + entry.toString() + " of the remote " + remote +" is opened.");
            
            }catch(IOException e){
            }finally{
                try{
                    if(s != null) s.close();
                }catch(IOException e){
                    
                }
            }
        }
    }
} 

以上程序需要4个参数，输入java PortScanner 10.1.1.182 1 10000 100运行（第4个参数是线程数），结果前两个程序一样，但是速度比第一个要快，可能比第二个要慢一些。

    第3个程序是把端口作为“池”中的对象，下面我们看第4个实现方式，把“池”里面的对象定义成是线程类，把具体的任务定义成”池“中线程类的参数。第4个程序有2个文件组成，分别是ThreadPool.java和PortScannerByThreadPool.java.
    ThreadPool.java文件内容如下：
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import java.util.LinkedList;

public class ThreadPool{
    private final int nThreads;
    private final PoolWorker[] threads;
    private final LinkedList queue;

    public ThreadPool(int nThreads){
        this.nThreads = nThreads;
        queue = new LinkedList();
        threads = new PoolWorker[nThreads];

        for (int i=0; i<nThreads; i++) {
            threads = new PoolWorker();
            threads.start();
        }
    }

    public void execute(Runnable r) {
        synchronized(queue) {
            queue.addLast(r);
            queue.notifyAll();
        }
    }

    private class PoolWorker extends Thread {
        public void run() {
            Runnable r;

            while (true) {
                synchronized(queue) {
                    while (queue.isEmpty()) {
                        try{
                            queue.wait();
                        }catch (InterruptedException ignored){
                        }
                    }

                    r = (Runnable) queue.removeFirst();
                }

                try {
                    r.run();
                }
                catch (RuntimeException e) {
                }
            }
        }
    }
}
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    在ThreadPool.java文件中定义了2个类：ThreadPool和PoolWorker。ThreadPool类中的nThreads变量表示线程数，PoolWorker数组类型的threads变量表示线程池中的“工人”，这些“工人”的工作就是一直循环处理通过queue.addLast(r)加入到“池”中的任务。
    PortScannerByThreadPool.java文件内容如下：
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
import java.io.IOException;
import java.net.InetAddress;
import java.net.Socket;

public class PortScannerByThreadPool {
    public static void main(String[] args) {
        String host = null;
        int beginport = 1;
        int endport = 65535;
        int nThreads = 100;
        try{
            host = args[0];
            beginport = Integer.parseInt(args[1]);
            endport = Integer.parseInt(args[2]);
            nThreads = Integer.parseInt(args[3]);
            if(beginport <= 0 || endport >= 65536 || beginport > endport){
                throw new Exception("Port is illegal");
            }
        }catch(Exception e){
            System.out.println("Usage: java PortScannerSingleThread host beginport endport nThreads");
            System.exit(0);
        }
        
        ThreadPool tp = new ThreadPool(nThreads);
        
        for(int i = beginport; i <= endport; i++){
            Scanner ps = new Scanner(host,i);
            tp.execute(ps);
        }
    }
}

class Scanner implements Runnable{
    String host;   
    int port;
        
    Scanner(String host, int port){
        this.host = host;
        this.port = port;
    }
        
    public void run(){
        Socket s = null;
        try{
            s = new Socket(InetAddress.getByName(host),port);
            System.out.println("The port of " + port + " is opened.");
        }catch(IOException ex){
        }finally{
            try{
                if(s != null) s.close();
            }catch(IOException e){
            }
        }
    }
}
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    PortScannerByThreadPool是主程序类，处理输入的4个参数（和第3个程序是一样的）：主机名、开始端口、结束端口和线程数。Scanner类定义了真正的”任务“。在PortScannerByThreadPool中通过new ThreadPool(nThreads)创建ThreadPool对象，然后在for循环中通过new Scanner(host,i)创建”任务“对象，再通过tp.execute(ps)把”任务“对象添加到”池“中。

    读者可以编译运行第4个程序，得出的结果和前面的是一样的。但是第4和第3个程序之间最大的差别就是：第4个程序会一直运行下去，不会自动结束。在第3个程序中存在一个isFinished()方法，可以用来判断任务是否处理完毕，而第4个程序中没有这样做。请读者自己思考这个问题。

    在第3和第4个程序中，我们可以概括出多线程的模型。第3个程序的线程”池“里装的要处理的对象，第4个程序的线程”池“里装的是”工人“，还需要通过定义”任务“并给把它”派工“给”工人“。我个人比较偏好后者的线程池模型，虽然类的个数多了几个，但逻辑很清晰。不管怎样，第3和第4个程序中关键的部分都大同小异，就是2个synchronized程序块中的内容，如下（第4个程序中的）：
synchronized(queue) {
    queue.addLast(r);
    queue.notifyAll();
}
和
synchronized(queue) {
    while (queue.isEmpty()) {
        try{
            queue.wait();
        }catch (InterruptedException ignored){
        }
    }

    r = (Runnable) queue.removeFirst();
}

    一般拿synchronized用来定义方法或程序块，这样可以在多线程同时访问的情况下，保证在一个时刻只能有一个线程对这部分内容进行访问，避免了数据出错。在第3个程序中通过List entries = Collections.synchronizedList(new LinkedList())来定义”池“，在第4个程序中直接用LinkedList queue，都差不多，只是Collections.synchronizedList()可以保证”池“的同步，其实”池“里的内容访问都是在synchronized定义的程序块中，所以不用Collections.synchronizedList()也是可以的。

    wait()和notifyAll()是很重要的，而且这2个方法是Object基类的方法，所以任何一个类都是可以使用的。这里说明一个可能产生混淆的问题：queue.wait()并不是说queue对象需要进行等待，而是说queue.wait()所在的线程需要进行等待，并且释放对queue的锁，把对queue的访问权交给别的线程。如果读者对这2个方法难以理解，建议参考JDK的文档说明。

    好了，通过以上4个例子的理解，读者应该能对多线程的程序设计有了一定的理解。第3和第4个程序对应线程模型是非常重要的，可以说是多线程程序设计过程中不可或缺的内容。

    如果读者对以上的内容有任何疑问，可以和我联系，[e-mail] 版权所有，严禁转载

参考资料：
1、《Java Networking Programming, 3rd》written by Elliotte Rusty Harold, Published by O'Reilly,2004  
2、“Thread pools and work queues” written by Brian Goetz, Principal Consultant, Quiotix Corp.