多线程程序模型之线程池
多线程是较复杂程序设计过程中不可缺少的一部分。为了提高应用程序运行的性能,采用多线程的设计是一种比较可行的方案。本文通过介绍使用Java编写的扫描计算机端口的实例,来说明多线程设计中应注意的问题,以及得出经常使用的多线程模型。
本文要求读者具备一定的Java语言基础,对Socket有一定的了解。本文的所有程序在Java SDK 1.4.2编译通过并能正常运行。
现在,我们需要对一台主机扫描其端口,找出哪些端口是open的状态。我们先采用单线程进行处理,程序代码如下:
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import java.io.IOException; import java.net.Socket; import java.net.UnknownHostException; public class PortScannerSingleThread { public static void main(String[] args) { String host = null; //第一个参数,目标主机。 int beginport = 1; //第二个参数,开始端口。 int endport = 65535; //第三个参数,结束端口。 try{ host = args[0]; beginport = Integer.parseInt(args[1]); endport = Integer.parseInt(args[2]); 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"); System.exit(0); } for (int i = beginport; i <= endport; i++) { try { Socket s = new Socket(host, i); System.out.println("The port " + i + " is opened at " + host); }catch (UnknownHostException ex) { System.err.println(ex); break; }catch (IOException ex) { } } } }
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在以上程序中,通过java.net.Socket类来识别端口是否是open状态。程序接受3个参数,第一个参数是主机IP,第二和第三个参数是需要扫描的起始和中止的端口号(1~65535)。本程序(java PortScannerSingleThread 10.1.1.1 1 1000)运行结果如下:
The port 25 is opened at 10.1.1.182
The port 110 is opened at 10.1.1.182
The port 135 is opened at 10.1.1.182
…
但是,以上程序运行效率实在不敢恭维,把目标主机端口扫描一遍需要十几分钟甚至更长,估计没有哪个用户可以忍受这样的效率。
所以,提高程序处理效率是必须的,下面的程序通过多线程的方法来进行处理。程序代码如下:
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import java.io.IOException; import java.net.Socket; import java.net.UnknownHostException; public class PortScannerMultiThread { public static void main(String[] args) { String host = null; int beginport = 1; int endport = 65535; try{ host = args[0]; beginport = Integer.parseInt(args[1]); endport = Integer.parseInt(args[2]); 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"); System.exit(0); } for (int i = beginport; i <= endport; i++) { PortProcessor pp = new PortProcessor(host,i); //一个端口创建一个线程 pp.start(); } } } class PortProcessor extends Thread{ String host; int port; PortProcessor(String host, int port){ this.host = host; this.port = port; } public void run(){ try{ Socket s = new Socket(host,port); System.out.println("The port " + port + " is opened at " + host); }catch(UnknownHostException ex){ System.err.println(ex); }catch(IOException ioe){ } } }
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以上程序在for循环结构中创建PortProcessor对象,PortProcessor类是线程类,其关键的Socket在public void run()方法中实现。此程序比第一个单线程的程序运行效率提高很多倍,几乎在几秒钟内得出结果。所以可见多线程处理是何等的重要。
程序(java PortScannerMultiThread 10.1.1.100 1 1000)运行结果如下:
The port 25 is opened at 10.1.1.100
The port 42 is opened at 10.1.1.100
The port 88 is opened at 10.1.1.100
…
仔细对第2个程序分析,不难发现其中的问题:创建的线程个数是不固定的,取决于输入的第二和第三个参数。如果扫描1~100端口,那么主线程就产生100个线程来分别处理;如果扫描1~10000端口,主线程就会产生10000个线程来进行处理。在JVM中创建如此多的线程同样会带来性能上的问题,因为线程的创建和消失都是需要花费系统资源的。所以以上的第二个程序也存在明显的不足。
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){ } } } } }
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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[i] = new PoolWorker(); threads[i].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:
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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。
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