线程池前世今生及源码实现

文章目录

⭐前序

本文讲什么：

线程池的概念、工作原理、优势、实际应用中的使用场景和注意事项，以及一些最佳实践和性能调优策略。
线程池源码

一、是什么(what)

线程池是一种用于管理和重用线程的机制。它包含了一组预先创建的线程，这些线程可以被重复使用来执行多个任务，而不需要频繁地创建和销毁线程，从而提高了程序的性能和资源利用率。
是一个生产者、消费者模型，业务线程将任务抛给线程池，由线程池中的线程异步执行，可以增加业务线程的处理能力，提升并发量。
可以是一个定时任务器，可以执行延时、超时任务。
多线程编程中，使用线程池是一种常见的优化手段。

@功能构成

线程池的核心组件，负责创建、管理和销毁线程池。它提供了对线程池的管理接口，如添加任务、关闭线程池等。

举例：

线程池的创建（ThreadPool Create：在应用程序启动时，创建一个线程池，包含多个线程，并初始化线程池的参数，如核心线程数、最大线程数、任务队列等。
任务提交（Task Commit）：当有任务需要执行时，将任务提交给线程池而不是直接创建线程。任务可以是实现了Runnable接口或Callable接口的对象。
任务队列（Work Queue）：线程池通常包含一个任务队列，用于存储待执行的任务。任务被提交到队列中，等待线程池的线程来执行。
线程执行任务（Tasks）：线程池中的线程定期检查任务队列，获取任务并执行。如果线程池中有空闲线程，则任务立即被分配给空闲线程执行。
线程重用（Threads reuse）：线程执行完一个任务后，并不立即销毁，而是继续等待执行下一个任务，以避免频繁创建和销毁线程的开销。
线程池参数配置（ThreadPool Parameters）：线程池的参数可以配置，包括核心线程数、最大线程数、任务队列大小、线程空闲时间等，根据实际需求进行调整以优化性能。
任务拒绝策略（Task Rejection Policy）：当任务队列已满且线程池无法接受新任务时，线程池会根据预先设定的任务拒绝策略来处理新提交的任务，如抛出异常、丢弃任务等。
线程池的关闭（ThreadPool Close）：当应用程序关闭时，线程池也会关闭。它会等待当前正在执行的任务完成，然后关闭线程池中的所有线程。

二、为什么(why)

可以提高多线程程序的性能和稳定性，减少资源的浪费

具体因素举例：

减少线程创建和销毁的开销：线程的创建和销毁是比较昂贵的操作，涉及到内存分配和资源初始化。如果在程序中频繁地创建和销毁线程，会消耗大量的系统资源，降低系统的性能。而线程池可以重用已经创建的线程，避免了这种开销。
控制并发线程数量：线程池可以限制同时执行的线程数量，防止系统因过多线程而过载。通过合理地设置线程池的参数，如核心线程数和最大线程数，可以根据系统的负载情况动态地调整线程的数量，保证系统的稳定性。
提高响应速度：线程池中的线程可以立即执行任务，无需等待线程创建，从而更快地响应任务请求。这对于需要快速处理任务的场景，如网络服务器、并行计算等，具有重要意义。
统一管理和监控：线程池可以集中管理和监控线程的状态和执行情况，方便调试和优化。可以通过线程池的管理接口，查看线程池的状态、活动线程数、任务队列长度等信息，及时发现并解决问题。
防止资源耗尽：线程池可以限制同时执行的线程数量，防止系统因过度并发而耗尽资源。通过合理地配置线程池的参数，可以避免系统因过多线程而导致内存、CPU等资源耗尽的情况。

三、何处(where)

线程池适用于需要处理大量并发任务的各种应用场景，可以提高系统的性能、资源利用率和可维护性。

应用场景举例：

Web 服务器 Web 服务器需要同时处理大量的客户端请求，包括处理 HTTP 请求、数据库查询、文件读写等操作。使用线程池可以有效地管理这些并发请求，避免为每个请求创建一个新线程而导致系统资源消耗过多。
后台任务处理 许多应用程序需要执行后台任务，例如定期数据备份、日志清理、邮件发送等。使用线程池可以确保这些后台任务能够在后台线程中异步执行，而不会阻塞主线程或影响用户体验。
并行计算 并行计算是一种利用多个处理单元同时执行计算任务的技术，常用于科学计算、数据分析等领域。线程池可以用于管理并发执行的计算任务，提高计算效率和性能。
异步 I/O 操作 许多 I/O 密集型应用（如网络服务器、文件处理程序等）需要进行异步 I/O 操作以避免阻塞线程。线程池可以用于管理异步 I/O 操作的执行，确保应用能够高效地处理大量的 I/O 请求。
定时任务调度 许多应用程序需要执行定时任务，例如定时数据统计、定时报表生成等。线程池可以用于执行这些定时任务，确保它们能够按照预定的时间间隔执行，并且不会相互干扰。
并发数据处理 在处理大量数据时，使用线程池可以加速数据处理过程。例如，对大型数据集进行排序、过滤、转换等操作时，可以将数据分成多个任务并发处理，以提高处理速度和效率。
GUI 应用程序 在 GUI 应用程序中，需要确保用户界面的响应性。将耗时的操作（如文件读写、网络请求等）放在线程池中异步执行，可以避免阻塞主线程，确保用户界面的流畅性和响应性。

四、何时(when)

此时在用的

ZLMediaKit ZLMediaKit 在其架构中通过线程池来优化处理性能，主要在网络请求处理、媒体数据的编解码、以及流数据的传输等核心模块使用。线程池允许系统维持一组活跃的线程，这些线程可以被多个任务复用，从而减少了频繁创建和销毁线程的开销。这种方式不仅提高了服务器的响应速度，也增强了系统处理高并发请求的能力，是实现高效流媒体数据处理的关键组件之一。
Redis Redis 是一个内存数据库和缓存服务器，被广泛用于缓存、消息队列、会话存储等场景。Redis 使用线程池来处理客户端的请求，并发执行各种操作，例如读取、写入、删除等。线程池的大小和配置可以通过 Redis 的配置文件进行调整，以适应不同的负载情况。

五、谁(who)

开源线程池的库

ZLToolKit ZLToolKit 是一个C++语言的网络库、线程库（含线程池）、工具库等，被应用于ZLMediaKit流媒体服务器。
libevent Libevent 是一个C语言的开源的、跨平台的异步事件通知库，它允许应用程序在高性能的网络通信、定时事件处理、信号处理等方面执行异步操作。Libevent 主要设计用于构建网络服务器或其它需要高度并发处理的应用程序。

六、怎么样(how)

@实践和性能调优策略

合理设置线程池大小：根据系统的负载和硬件配置，合理设置线程池的大小，避免线程过多或过少导致性能下降。
使用合适的任务队列：选择合适的任务队列类型，如有界队列或无界队列，以满足不同的需求。
定期监控线程池性能：定期监控线程池的性能指标，如任务执行时间、任务等待时间、线程池使用率等，及时发现并解决性能瓶颈。
任务拒绝策略的选择：根据业务需求选择合适的任务拒绝策略，以保证系统的稳定性和可靠性。
避免死锁和饥饿：合理设计任务和资源的竞争关系，避免死锁和饥饿现象的发生。

@线程池源码（Code）[待补充]

主要实现是：

① 线程池的管理：创建、修改、销毁线程池

② 任务队列：能够将函数/lambda 对象的入队、出队

③ 线程任务函数：线程实例从队列中取出任务并执行，空闲时阻塞

④ 任务定时器：需要优先队列的支持

注意点：线程安全、线程资源合理分配、内存安全/泄露、减少资源开销(CPU/内存、锁等)、异常捕获。。。

C/C++ code 待续。。。