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背景
最近在走读诊断项目代码时，发现其用到了线程池技术，感觉耳目一新。以前基本只是听过线程池，但是并没有实际应用。对它有一丝的好奇，于是趁这个机会深入了解一下线程池的实现原理。
线程池的优点
线程池出现的背景，其实对应CPU性能优化——“瑞士军刀“文章中提到的短时应用。
即短时间内通过创建线程处理大量请求，但是请求业务的执行时间过短，会造成一些缺陷。
- 浪费系统资源。比如我们创建一个线程，再销毁一个线程耗时10ms,但是业务的执行时间只有10ms。这就导致系统有效利用率较低。
- 系统不稳定。如果短时间内，来了大量的请求，每一个请求都通过创建线程的方式执行。可能存在瞬时负载很高，请求响应降低，从而导致系统不稳定。
于是我们可以通过线程池技术，减少线程创建和消耗的耗时，提高系统的资源利用；控制线程并行数量，确保系统的稳定性；
线程池实现
线程池的核心包括以下内容：
- 线程池任务节点结构。
- 线程池控制器。
- 线程池的控制流程。
线程池任务节点结构
线程池任务结点用来保存用户投递过来的的任务，并放入线程池中的线程来执行，任务结构如下：
struct worker_t {void * (* process)(void * arg); /*回调函数*/int paratype; /*函数类型(预留)*/void * arg; /*回调函数参数*/struct worker_t * next; /*链接下一个任务节点*/
};
线程池控制器
线程池控制器用来对线程池进行控制管理，描述当前线程池的最基本信息，包括任务的投递，线程池状态的更新与查询，线程池的销毁等，其结构如下：
/*线程控制器*/
struct CThread_pool_t {pthread_mutex_t queue_lock; /*互斥锁*/pthread_cond_t queue_ready; /*条件变量*/worker_t * queue_head; /*任务节点链表 保存所有投递的任务*/int shutdown; /*线程池销毁标志 1-销毁*/pthread_t * threadid; /*线程ID*/int max_thread_num; /*线程池可容纳最大线程数*/int current_pthread_num; /*当前线程池存放的线程*/int current_pthread_task_num; /*当前已经执行任务和已分配任务的线程数目和*/int current_wait_queue_num; /*当前等待队列的的任务数目*/int free_pthread_num; /*线程池允许最大的空闲线程数/*//*** function: ThreadPoolAddWorkUnlimit* description: 向线程池投递任务* input param: pthis 线程池指针* process 回调函数* arg 回调函数参数* return Valr: 0 成功* -1 失败*/ int (* AddWorkUnlimit)(void * pthis, void * (* process)(void * arg), void * arg);/*** function: ThreadPoolAddWorkLimit* description: 向线程池投递任务,无空闲线程则阻塞* input param: pthis 线程池指针* process 回调函数* arg 回调函数参数* return Val: 0 成功* -1 失败*/ int (* AddWorkLimit)(void * pthis, void * (* process)(void * arg), void * arg);/*** function: ThreadPoolGetThreadMaxNum* description: 获取线程池可容纳的最大线程数* input param: pthis 线程池指针*/ int (* GetThreadMaxNum)(void * pthis);/*** function: ThreadPoolGetCurrentThreadNum* description: 获取线程池存放的线程数* input param: pthis 线程池指针* return Val: 线程池存放的线程数*/ int (* GetCurrentThreadNum)(void * pthis);/*** function: ThreadPoolGetCurrentTaskThreadNum* description: 获取当前正在执行任务和已经分配任务的线程数目和* input param: pthis 线程池指针* return Val: 当前正在执行任务和已经分配任务的线程数目和*/ int (* GetCurrentTaskThreadNum)(void * pthis);/*** function: ThreadPoolGetCurrentWaitTaskNum* description: 获取线程池等待队列任务数* input param: pthis 线程池指针* return Val: 等待队列任务数*/ int (* GetCurrentWaitTaskNum)(void * pthis);/*** function: ThreadPoolDestroy* description: 销毁线程池* input param: pthis 线程池指针* return Val: 0 成功* -1 失败*/ int (* Destroy)(void * pthis);
};
线程池的控制流程
线程池的控制流程可以分为三个步骤：
- 线程池创建。即创建
max_num个线程ThreadPoolRoutine，即空闲线程:
/*** function: ThreadPoolConstruct* description: 构建线程池* input param: max_num 线程池可容纳的最大线程数* free_num 线程池允许存在的最大空闲线程,超过则将线程释放回操作系统* return Val: 线程池指针 */
CThread_pool_t *
ThreadPoolConstruct(int max_num, int free_num)
{int i = 0;CThread_pool_t * pool = (CThread_pool_t *)malloc(sizeof(CThread_pool_t));if(NULL == pool)return NULL;memset(pool, 0, sizeof(CThread_pool_t));/*初始化互斥锁*/pthread_mutex_init(&(pool->queue_lock), NULL);/*初始化条件变量*/pthread_cond_init(&(pool->queue_ready), NULL);pool->queue_head = NULL;pool->max_thread_num = max_num; // 线程池可容纳的最大线程数pool->current_wait_queue_num = 0;pool->current_pthread_task_num = 0;pool->shutdown = 0;pool->current_pthread_num = 0;pool->free_pthread_num = free_num; // 线程池允许存在最大空闲线程pool->threadid = NULL;pool->threadid = (pthread_t *)malloc(max_num*sizeof(pthread_t));/*该函数指针赋值*/pool->AddWorkUnlimit = ThreadPoolAddWorkUnlimit;pool->AddWorkLimit = ThreadPoolAddWorkLimit;pool->Destroy = ThreadPoolDestroy;pool->GetThreadMaxNum = ThreadPoolGetThreadMaxNum;pool->GetCurrentThreadNum = ThreadPoolGetCurrentThreadNum;pool->GetCurrentTaskThreadNum = ThreadPoolGetCurrentTaskThreadNum;pool->GetCurrentWaitTaskNum = ThreadPoolGetCurrentWaitTaskNum;for(i=0; i<max_num; i++) {pool->current_pthread_num++; // 当前池中的线程数/*创建线程*/pthread_create(&(pool->threadid[i]), NULL, ThreadPoolRoutine, (void *)pool);usleep(1000); }return pool;
}
- 投递任务。即将任务生产者，将任务节点投入线程池中。实现如下：
/*** function: ThreadPoolAddWorkLimit* description: 向线程池投递任务,无空闲线程则阻塞* input param: pthis 线程池指针* process 回调函数* arg 回调函数参数* return Val: 0 成功* -1 失败*/
int
ThreadPoolAddWorkLimit(void * pthis, void * (* process)(void * arg), void * arg)
{ // int FreeThreadNum = 0;// int CurrentPthreadNum = 0;CThread_pool_t * pool = (CThread_pool_t *)pthis;/*为添加的任务队列节点分配内存*/worker_t * newworker = (worker_t *)malloc(sizeof(worker_t)); if(NULL == newworker) return -1;newworker->process = process; // 回调函数,在线程ThreadPoolRoutine()中执行newworker->arg = arg; // 回调函数参数newworker->next = NULL; pthread_mutex_lock(&(pool->queue_lock));/*插入新任务队列节点*/worker_t * member = pool->queue_head; // 指向任务队列链表整体if(member != NULL) {while(member->next != NULL) // 队列中有节点member = member->next; // member指针往后移动member->next = newworker; // 插入到队列链表尾部} else pool->queue_head = newworker; // 插入到队列链表头assert(pool->queue_head != NULL);pool->current_wait_queue_num++; // 等待队列加1/*空闲的线程= 当前线程池存放的线程 - 当前已经执行任务和已分配任务的线程数目和*/int FreeThreadNum = pool->current_pthread_num - pool->current_pthread_task_num;/*如果没有空闲线程且池中当前线程数不超过可容纳最大线程*/if((0 == FreeThreadNum) && (pool->current_pthread_num < pool->max_thread_num)) { //-> 条件为真进行新线程创建int CurrentPthreadNum = pool->current_pthread_num;/*新增线程*/pool->threadid = (pthread_t *)realloc(pool->threadid, (CurrentPthreadNum+1) * sizeof(pthread_t));pthread_create(&(pool->threadid[CurrentPthreadNum]),NULL, ThreadPoolRoutine, (void *)pool);/*当前线程池中线程总数加1*/ pool->current_pthread_num++;/*分配任务线程数加1*/pool->current_pthread_task_num++;pthread_mutex_unlock(&(pool->queue_lock));/*发送信号给一个处与条件阻塞等待状态的线程*/pthread_cond_signal(&(pool->queue_ready));return 0;}pool->current_pthread_task_num++;pthread_mutex_unlock(&(pool->queue_lock));/*发送信号给一个处与条件阻塞等待状态的线程*/pthread_cond_signal(&(pool->queue_ready));
// usleep(10); //看情况 return 0;
}
- 线程执行。即每一个线程的执行逻辑。实现如下：
/*** function: ThreadPoolRoutine* description: 线程池中执行的线程* input param: arg 线程池指针*/
void *
ThreadPoolRoutine(void * arg)
{CThread_pool_t * pool = (CThread_pool_t *)arg;while(1) {/*上锁,pthread_cond_wait()调用会解锁*/pthread_mutex_lock(&(pool->queue_lock));/*队列没有等待任务*/while((pool->current_wait_queue_num == 0) && (!pool->shutdown)) {/*条件锁阻塞等待条件信号*/pthread_cond_wait(&(pool->queue_ready), &(pool->queue_lock));}if(pool->shutdown) {pthread_mutex_unlock(&(pool->queue_lock));pthread_exit(NULL); // 释放线程}assert(pool->current_wait_queue_num != 0);assert(pool->queue_head != NULL);pool->current_wait_queue_num--; // 等待任务减1,准备执行任务worker_t * worker = pool->queue_head; // 去等待队列任务节点头pool->queue_head = worker->next; // 链表后移 pthread_mutex_unlock(&(pool->queue_lock));(* (worker->process))(worker->arg); // 执行回调函数pthread_mutex_lock(&(pool->queue_lock));pool->current_pthread_task_num--; // 函数执行结束free(worker); // 释放任务结点worker = NULL;if((pool->current_pthread_num - pool->current_pthread_task_num) > pool->free_pthread_num) {pthread_mutex_unlock(&(pool->queue_lock));break; // 当线程池中空闲线程超过 free_pthread_num 则将线程释放回操作系统}pthread_mutex_unlock(&(pool->queue_lock)); }pool->current_pthread_num--; // 当前线程数减1pthread_exit(NULL); // 释放线程return (void *)NULL;
}
这个就是用来执行任务的线程，在初始化创建线程时所有线程都全部阻塞在pthread_cond_wait()处，此时的线程就为空闲线程，也就是线程被挂起，当收到信号并取得互斥锁时，表明任务投递过来
则获取等待队列里的任务结点并执行回调函数；函数执行结束后回去判断当前等待队列是否还有任务，有则接下去执行，否则重新阻塞回到空闲线程状态。
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总结
实际上，我觉得在诊断项目中，线程池技术是非必要的。因此它不会涉及到大量的请求，以及每一个请求处理，一般都会比较耗时。
参考：https://www.cnblogs.com/zhaoosheLBJ/p/9337291.html
