程序员修仙之路-数据结构之设计一个高性能线程池

经过一个多小时的代码排查终于查明了线上程序线程数过多的原因：这是一个接收mq消息的一个服务，程序大体思路是这样的，监听的线程每次收到一条消息，就启动一个线程去执行，每次启动的线程都是新的。说到这里，咱们就谈一谈这个程序有哪些弊端呢：

1. 每次收到一条消息都创建一个新的线程，要知道线程的资源对于系统来说是很昂贵的，消息处理完成还要销毁这个线程。
2. 这个程序用到的线程数量是没有限制的。当线程到达一定数量，程序反而因线程在cpu切换开销的原因处理效率降低。无论的你的服务器cpu是多少核心，这个现象都有发生的可能。

线程多的问题该怎么解决呢，增加cpu核心数？治标不治本。对于开发者而言，最为常用也最为有效的是线程池化，也就是说线程池。

线程池是一种多线程处理形式，处理过程中将任务添加到队列，然后在创建线程后自动启动这些任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用，还能防止过分调度。可用线程数量应该取决于可用的并发处理器、处理器内核、内存、网络sockets等的数量。 例如，线程数一般取cpu数量+2比较合适，线程数过多会导致额外的线程切换开销。

线程池其中一项很重要的技术点就是任务的队列，队列虽然属于一种基础的数据结构，但是发挥了举足轻重的作用。

队列是一种特殊的线性表，特殊之处在于它只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作，和栈一样，队列是一种操作受限制的线性表。进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。

队列是一种采用的FIFO(first in first out)方式的线性表，也就是经常说的先进先出策略。

1. 数组
   队列可以用数组Q[1…m]来存储，数组的上界m即是队列所容许的最大容量。在队列的运算中需设两个指针：head，队头指针，指向实际队头元素+1的位置；tail，队尾指针，指向实际队尾元素位置。一般情况下，两个指针的初值设为0，这时队列为空，没有元素。以下为一个简单的实例（生产环境需要优化）：

public class QueueArray
    {
 //队列元素的数组容器
 T[] container = null;
 int IndexHeader, IndexTail;
 public QueueArray(int size)
 {
     container = new T[size];
     IndexHeader = 0;
     IndexTail = 0;
 }
 public void Enqueue(T item)
 {
     //入队的元素放在头指针的指向位置，然后头指针前移
     container[IndexHeader] = item;
     IndexHeader++;
 }
 public T Dequeue()
 {
     //出队：把尾元素指针指向的元素取出并清空（不清空也可以）对应的位置，尾指针前移
     T item = container[IndexTail];
     container[IndexTail] = default(T);
     IndexTail++;
     return item;
 }

    }

2. 链表
   队列采用的FIFO(first in first out)，新元素总是被插入到链表的尾部，而读取的时候总是从链表的头部开始读取。每次读取一个元素，释放一个元素。所谓的动态创建，动态释放。因而也不存在溢出等问题。由于链表由元素连接而成，遍历也方便。以下是一个实例仅供参考：

public class QueuelinkList
    {
 linkedList contianer = null;
 public QueuelinkList()
 {
     contianer = new linkedList();
 }
 public void Enqueue(T item)
 {
     //入队的元素其实就是加入到队尾
     contianer.AddLast(item);
 }
 public T Dequeue()
 {
     //出队：取链表第一个元素，然后把这个元素删除
     T item = contianer.First.Value;
     contianer.RemoveFirst();
     return item;
 }

    }

1. 队列通过数组来实现的话有什么问题吗？是的。首先基于数组不可变本质的因素（具体可参考菜菜之前的文章），当一个队列的元素把数组沾满的时候，数组扩容是有性能问题的，数组的扩容过程不只是开辟新空间分配内存那么简单，还要有数组元素的copy过程，更可怕的是会给GC造成极大的压力。如果数组比较小可能影响比较小，但是当一个数组比较大的时候，比如占用500M内存的一个数组，数据copy其实会造成比较大的性能损失。

2. 队列通过数组来实现，随着头指针和尾指针的位置移动，尾指针最终会指向第一个元素的位置，也就是说没有元素可以出队了，其实要解决这个问题有两种方式，其一：在出队或者入队的过程中不断的移动所有元素的位置，避免上边所说的极端情况发生；其二：可以把数组的首尾元素连接起来，使其成为一个环状，也就是经常说的循环队列。

3. 队列在一些特殊场景下其实还有一些变种，比如说循环队列，阻塞队列，并发队列等，有兴趣的同学可以去研究一下，这里不在展开讨论。这里说到阻塞队列就多说一句，其实用阻塞队列可以实现一个最基本的生产者消费者模式。

4. 当队列用链表方式实现的时候，由于链表的首尾操作时间复杂度都是O（1），而且没有空间大小的限制，所以一般的队列用链表实现更简单。

5. 当队列中无元素可出队或者没有空间可入队的时候，是阻塞当前的操作还是返回错误信息，取决于在座各位队列的设计者了。

    //线程池
    public class ThreadPool
    {
 bool PoolEnable = false; //线程池是否可用 
 List ThreadContainer = null; //线程的容器
 ConcurrentQueue JobContainer = null; //任务的容器
 public ThreadPool(int threadNumber)
 {
     PoolEnable = true;
     ThreadContainer = new List(threadNumber);
     JobContainer = new ConcurrentQueue();
     for (int i = 0; i < threadNumber; i++)
     {
  var t = new Thread(RunJob);
  ThreadContainer.Add(t);
  t.Start();
     }    
 }
 //向线程池添加一个任务
 public void AddTask(Action