Java 手寫線程池核心原理：ThreadPool 完整實現與測試驗證

從零實現一個生產級線程池，深度理解「任務隊列 + 工作線程 + 鎖協作」核心架構。

線程池設計要素

• 工作隊列：LinkedList 緩衝 Runnable 任務
• 工作線程：循環 getTask() → run()，池大小固定
• 同步協作：synchronized + wait/notify 實現生產者-消費者
• 生命周期：execute()、closePool()、waitFinish()

核心代碼結構

public class ThreadPool extends ThreadGroup {
    private boolean isClosed = false;
    private LinkedList workQueue;
    private static int threadPoolID = 1;

    public ThreadPool(int poolSize) {
        super(threadPoolID + "");
        setDaemon(true);
        workQueue = new LinkedList();
        for (int i = 0; i < poolSize; i++) new WorkThread(i).start();
    }

    public synchronized void execute(Runnable task) {
        if (isClosed) throw new IllegalStateException();
        if (task != null) { workQueue.add(task); notify(); }
    }

    private synchronized Runnable getTask(int threadId) throws InterruptedException {
        while (workQueue.size() == 0) {
            if (isClosed) return null;
            System.out.println("工作線程" + threadId + "等待任務...");
            wait();
        }
        System.out.println("工作線程" + threadId + "開始執行任務...");
        return (Runnable) workQueue.removeFirst();
    }

    public synchronized void closePool() {
        if (!isClosed) {
            waitFinish();
            isClosed = true;
            workQueue.clear();
            interrupt(); // 繼承自 ThreadGroup，批量中斷
        }
    }

    private class WorkThread extends Thread {
        private int id;
        public WorkThread(int id) { super(ThreadPool.this, id + ""); this.id = id; }
        public void run() {
            while (!isInterrupted()) {
                Runnable task = null;
                try { task = getTask(id); }
                catch (InterruptedException ex) { ex.printStackTrace(); }
                if (task == null) return;
                try { task.run(); }
                catch (Throwable t) { t.printStackTrace(); }
            }
        }
    }
}

測試驗證

ThreadPool pool = new ThreadPool(3);
Thread.sleep(500); // 待線程啟動
for (int i = 0; i <= 5; i++) pool.execute(createTask(i));
pool.waitFinish();
pool.closePool();

運行輸出

工作線程0等待任務...
工作線程1等待任務...
工作線程2等待任務...
工作線程0開始執行任務... Hello world
工作線程0等待任務...
工作線程1開始執行任務... Hello world
工作線程1等待任務...
工作線程2開始執行任務... Hello world
工作線程2等待任務...
工作線程0開始執行任務... Hello world
工作線程0等待任務...
工作線程1開始執行任務... Hello world
工作線程1等待任務...
工作線程2開始執行任務... Hello world
工作線程2等待任務...

關鍵設計亮點

1. 繼承 ThreadGroup 獲取線程管理能力
2. wait/notify 實現無鎖空閒等待，CPU 友好
3. waitFinish() 通過 join() 確保任務執行完畢再關閉
4. 異常隔離：任務異常不影響工作線程循環