[linux仓库]线程池[线程·玖]

🌟 各位看官好，我是！

🌍 Linux == Linux is not Unix ！

🚀 今天来手搓一个线程池以便清晰明白线程池设计的巧妙。

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目录

书接上文

线程池设计

线程池

应用场景

种类

线程描述与组织

线程管理

线程池

构造函数

线程启动、取消与回收

线程取消

任务执行

回收线程

往线程池入数据

书接上文

线程池设计

线程池

⼀种线程使⽤模式。线程过多会带来调度开销，进⽽影响缓存局部性和整体性能。⽽线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执⾏的任务。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。

应用场景

• 需要⼤量的线程来完成任务，且完成任务的时间⽐较短。 ⽐如WEB服务器完成⽹⻚请求这样的任务，使⽤线程池技术是⾮常合适的。因为单个任务⼩，⽽任务数量巨⼤，你可以想象⼀个热⻔⽹站的点击次数。 但对于⻓时间的任务，⽐如⼀个Telnet连接请求，线程池的优点就不明显了。因为Telnet会话时间⽐线程的创建时间⼤多了。
• 对性能要求苛刻的应⽤，⽐如要求服务器迅速响应客户请求。
• 接受突发性的⼤量请求，但不⾄于使服务器因此产⽣⼤量线程的应⽤。突发性⼤量客⼾请求，在没有线程池情况下，将产⽣⼤量线程，虽然理论上⼤部分操作系统线程数⽬最⼤值不是问题，短时间内产⽣⼤量线程可能使内存到达极限，出现错误.

种类

线程描述与组织

既然是一个线程池,需要创建大量的线程,让线程从任务队列中取数据来执行任务.要对线程做创建，控制，回收，因此需要对线程做管理，如何管理呢?需要能够描述线程和做组织!

好在我们之前做过了对线程的封装,其封装如下:

Thread.hpp

#define get_lwp_id() syscall(SYS_gettid)

using func_t = std::function<void(const std::string&name)>;
const std::string threadnamedefault = "None-Name";

class Thread
{
public:
Thread(func_t func, const std::string &name = threadnamedefault)
: _name(name),
_func(func),
_isrunning(false)
{
LOG(LogLevel::INFO) << _name << " create thread obj success";
}
static void *start_routine(void *args)
{
Thread *self = static_cast<Thread *>(args);
self->_isrunning = true;
self->_lwpid = get_lwp_id();
self->_func(self->_name);
pthread_exit((void *)0);
}
void Start()
{
int n = pthread_create(&_tid, nullptr, start_routine, this);
if (n == 0)
{
LOG(LogLevel::INFO) << _name << " running success";
}
}
void Stop()
{
int n = pthread_cancel(_tid); // 太简单粗暴了
(void)n;
}
// void Die()
// {
// pthread_cancel(_tid);
// }
// 检测线程结束并且回收的功能
void Join()
{
if (!_isrunning)
return;

int n = pthread_join(_tid, nullptr);
if (n == 0)
{
LOG(LogLevel::INFO) << _name << " pthread_join success";
}
}
~Thread()
{
// LOG(LogLevel::INFO) << _name << " destory thread obj success";
}

private:
bool _isrunning;
pthread_t _tid;
pid_t _lwpid;
std::string _name;
func_t _func;
};

#endif

线程管理

template<typename T>

class ThreadPool
{
private:
std::queue<T> _q; //整体使用的临界资源
};

我们使用_q队列来表示任务队列,既然存在很多线程从任务队列里取数据,那这不就是多线程并发访问共享资源吗?因此,需要对共享资源做保护啊!如何保护呢?互斥锁.可是,该加一把锁呢还是,这里以一把锁就可以解决多线程并发访问共享资源的问题.

#pragma once

#include <pthread.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>

class Mutex
{
public:
Mutex()
{
// 初始化锁
pthread_mutex_init(&_lock, nullptr);
}

void Lock()
{
// 加锁
pthread_mutex_lock(&_lock);
}

void Unlock()
{
// 解锁
pthread_mutex_unlock(&_lock);
}

pthread_mutex_t *Get()
{
return &_lock;
}

~Mutex()
{
// 毁坏锁
pthread_mutex_destroy(&_lock);
}

private:
pthread_mutex_t _lock;
};

class LockGuard
{
public:
LockGuard(Mutex *mutex) : _mutexp(mutex)
{
_mutexp->Lock();
}

~LockGuard()
{
_mutexp->Unlock();
}

private:
Mutex *_mutexp;
};

可是,单单只有锁是不够的,会存在这种问题.如果某个线程的竞争能力特别强呢?我用户都没往任务队列里放数据,你这个线程就不断加锁,检查任务队列是否有数据,在解锁,这反而会导致效率降低.那么能不能当用户往任务队列里放数据后,再通知线程们去执行这个任务呢?当然可以,如果没有放数据,此时线程们都需要进入休眠,需要使用到条件变量.

#pragma once

#include<pthread.h>
#include"Mutex.hpp"

class Cond
{
public:
Cond()
{
pthread_cond_init(&_cond,nullptr);
}

void Wait(Mutex &mutex)
{
int n = pthread_cond_wait(&_cond,mutex.Get());
}

void NotifyOne()
{
int n = pthread_cond_signal(&_cond);
(void)n;
}

void NotifyAll()
{
int n = pthread_cond_broadcast(&_cond);
(void)n;
}

~Cond()
{
pthread_cond_destroy(&_cond);
}
private:
pthread_cond_t _cond;
};

线程池

前置工作准备完毕,那么就可以开始对线程池的封装了!

template <class T>
class ThreadPool
{
private:
// 任务队列
std::queue<T> _q; // 整体使用的临界资源

// 多个线程
std::vector<Thread> _threads; // 1. 创建线程对象 2. 让线程对象启动
int _threadnum;
int _wait_thread_num;

// 保护机制
Mutex _lock;
Cond _cond;

// 其他属性
bool _is_running;
};

这里的std::vetctor<Thread> _threads是否创建了线程对象呢?

可以肯定的是肯定是没有的,相当于你只是拥有了线程这个图纸,里面含有线程的相关属性.

构造函数

// 线程池
const static int defaultthreadnum = 3; // for debug

template <class T>
class ThreadPool
{
private:
void Routine(const std::string &name)
{
while (true)
{
//…
}
}

public:
ThreadPool(int threadnum = defaultthreadnum)
: _threadnum(threadnum), _is_running(false), _wait_thread_num(0)
{
for (int i = 0; i < _threadnum; i++)
{
//…
}
LOG(LogLevel::INFO) << "thread pool obj create success";
}
};

问题1:构造函数这里的for循环时对象存在了吗?

存在了的，在初始化列表这里对对象进行初始化，进行了开辟空间，已然可以访问类内属性.

问题2:构造函数并不需要启动线程池,只负责获取资源并设置其要执行的任务。只有当ThreadPool对象调用Start成员函数时,才需要让线程池启动起来.

我们的想法是这样的:在这里将this指针与任务执行方法进行绑定,当线程池启动起来时,能够调用Thread线程对象的start函数,里面的pthread_create函数会调用start_routine函数,函数体内的

self->_func(self->_name);

会因为包装器的原因,回调到ThreadPool的任务执行方法.这种思想可以做到模块与模块之间的解耦合,可是该怎么做呢?

方法一:使用bind函数

std::string name = "thread-" + std::to_string(i + 1);

auto f = std::bind(Routine, this);

Thread t([this](const std::string &name)
{ this->Routine(name); }
, name);
_threads.push_back(std::move(t));

bind函数,将Routine方法与this指针进行绑定,再通过Lambda表达式

[this](const std::string &name){ this->Routine(name); }

与name将这两参数传递给Thread的构造函数进行构造.

方法二:使用emplace_back函数

std::string name = "thread-" + std::to_string(i + 1);
_threads.emplace_back([this](const std::string &name)
{ this->Routine(name); }, name);

emplace_back函数的作用:

直接在std::vector的内存空间中传递Lambda表达式和name的两个参数构造Thread对象,避免了创建临时对象和可能的拷贝/移动操作。

线程启动、取消与回收

线程启动

void Start()
{
if (_is_running)
return;
_is_running = true;
for (auto &t : _threads)
{
t.Start();
}
LOG(LogLevel::INFO) << "thread pool running success";
}

线程取消

void Stop()
{
if (!_is_running)
return;
_is_running = false;
for (auto &t : _threads)
{
t.Stop();
}
LOG(LogLevel::INFO) << "thread pool stop success";
}

但实际上上面这种做法并不推荐,太过于简单粗暴了,考虑的因素太少了.

一个线程池要退出时,应该让线程走征程的唤醒逻辑以及退出啊!

可以发现第3种情况可以归到第2种情况中,线程取消如下所示,为什么是这样呢?我们来看看任务执行是怎样做的.

void Stop()
{
if (!_is_running)
return;
_is_running = false;
if (_wait_thread_num)
_cond.NotifyAll();
}

任务执行

bool QueueIsEmpty()
{
return _q.empty();
}

void Routine(const std::string &name)
{
while (true)
{
// 把任务从线程获取到线程私有！临界区 -> 私有的栈
T t;
{
LockGuard lockguard(&_lock);
while (QueueIsEmpty() && _is_running)
{
_wait_thread_num++;
_cond.Wait(_lock);
_wait_thread_num–;
}
if (!_is_running && QueueIsEmpty())
{
LOG(LogLevel::INFO) << " 线程池退出 && 任务队列为空, " << name << " 退出";
break;
}
// 队列中一定有任务了!, 但是
// 1. 线程池退出 — 消耗历史
// 2. 线程池没有退出 — 正常工作
t = _q.front();
_q.pop();
}
t(); // 规定，未来的任务，必须这样处理！，处理任务需要再临界区内部进行吗？1 or 0
// for debug
LOG(LogLevel::DEBUG) << name << " handler task: " << t.Result2String();
}
}

回收线程

void Wait()
{
for (auto &t : _threads)
{
t.Join();
}
LOG(LogLevel::INFO) << "thread pool wait success";
}

往线程池入数据

void Enqueue(const T &t)
{
if (!_is_running)
return;
{
LockGuard lockguard(&_lock);

_q.push(t);
if (_wait_thread_num > 0)
_cond.NotifyOne();
}
}