线程池666666 - 技术栈

1. 作用

线程池内部维护了多个工作线程，每个工作线程都会去任务队列中拿取任务并执行，当执行完一个任务后不是马上销毁，而是继续保留执行其它任务。显然，线程池提高了多线程的复用率，减少了创建和销毁线程的时间。

2. 实现原理

线程池内部由任务队列、工作线程和管理者线程组成。

**任务队列：**存储需要处理的任务。每个任务其实就是具体的函数，在任务队列中存储函数指针和对应的实参。当工作线程获取任务后，就能根据函数指针来调用指定的函数。其实现可以是数组、链表、STL容器等。

**工作线程：**有N个工作线程，每个工作线程会去任务队列中拿取任务，然后执行具体的任务。当任务被处理后，任务队列中就不再有该任务了。当任务队列中没有任务时，工作线程就会阻塞。

**管理者线程：**周期性检测忙碌的工作线程数量和任务数量。当任务较多线程不够用时，管理者线程就会多创建几个工作线程来加快处理（不会超过工作线程数量的上限）。当任务较少线程空闲多时，管理者线程就会销毁几个工作线程来减少内存占用（不会低于工作线程数量的下限）。

注意：线程池中没有维护"生产者线程"，所谓的"生产者线程"就是往任务队列中添加任务的线程。

3. 手撕线程池

参考来源：爱编程的大丙。

【1】threadpool.c:

cpp 复制代码

#include "threadpool.h"
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

#define NUMBER	2	//管理者线程增加或减少的工作线程数量

//任务结构体
typedef struct Task {
	void (*func)(void* arg);
	void* arg;
} Task;


//线程池结构体
struct ThreadPool {
	//任务队列，视为环形队列
	Task* taskQ;
	int queueCapacity;	//队列容量
	int queueSize;		//当前任务个数
	int queueFront;		//队头 -> 取任务
	int queueRear;		//队尾 -> 加任务
	//线程相关
	pthread_t managerID;	//管理者线程ID
	pthread_t* threadIDs;	//工作线程ID
	int minNum;				//工作线程最小数量
	int maxNum;				//工作线程最大数量
	int busyNum;			//工作线程忙的数量
	int liveNum;			//工作线程存活数量
	int exitNum;			//要销毁的工作线程数量
	pthread_mutex_t mutexPool;	//锁整个线程池
	pthread_mutex_t mutexBusy;	//锁busyNum
	pthread_cond_t notFull;		//任务队列是否满
	pthread_cond_t notEmpty;	//任务队列是否空
	//线程池是否销毁
	int shutdown;		//释放为1，否则为0
};

/***************************************************************
 * 函  数: threadPoolCreate
 * 功  能: 创建线程池并初始化
 * 参  数: min---工作线程的最小数量
 *         max---工作线程的最大数量
 *		   capacity---任务队列的最大容量
 * 返回值: 创建的线程池的地址
 **************************************************************/
ThreadPool* threadPoolCreate(int min, int max, int capacity)
{
	//申请线程池空间
	ThreadPool* pool = (ThreadPool*)malloc(sizeof(ThreadPool));
	do {//此处循环只是为了便于失败释放空间，只会执行一次
		if (pool == NULL) {
			printf("pool create error!\n");
			break;
		}
		//申请任务队列空间，并初始化
		pool->taskQ = (Task*)malloc(sizeof(Task) * capacity);
		if (pool->taskQ == NULL) {
			printf("Task create error!\n");
			break;
		}
		pool->queueCapacity = capacity;
		pool->queueSize = 0;
		pool->queueFront = 0;
		pool->queueRear = 0;
		//初始化互斥锁和条件变量
		if (pthread_mutex_init(&pool->mutexPool, NULL) != 0 ||
			pthread_mutex_init(&pool->mutexBusy, NULL) != 0 ||
			pthread_cond_init(&pool->notFull, NULL) != 0 ||
			pthread_cond_init(&pool->notEmpty, NULL) != 0)
		{
			printf("mutex or cond create error!\n");
			break;
		}
		//初始化shutdown
		pool->shutdown = 0;
		//初始化线程相关参数
		pool->threadIDs = (pthread_t*)malloc(sizeof(pthread_t) * max);
		if (pool->threadIDs == NULL) {
			printf("threadIDs create error!\n");
			break;
		}
		memset(pool->threadIDs, 0, sizeof(pthread_t) * max);
		pool->minNum = min;
		pool->maxNum = max;
		pool->busyNum = 0;
		pool->liveNum = min;
		pool->exitNum = 0;
		//创建管理者线程和工作线程
		pthread_create(&pool->managerID, NULL, manager, pool);//创建管理线程
		for (int i = 0; i < min; ++i) {
			pthread_create(&pool->threadIDs[i], NULL, worker, pool);//创建工作线程
		}
		return pool;
	} while (0);
	//申请资源失败，释放已分配的资源
	if (pool && pool->taskQ) free(pool->taskQ);
	if (pool && pool->threadIDs) free(pool->threadIDs);
	if (pool) free(pool);
	return NULL;
}


/***************************************************************
 * 函  数: threadPoolDestroy
 * 功  能: 销毁线程池
 * 参  数: pool---要销毁的线程池
 * 返回值: 0表示销毁成功，-1表示销毁失败
 **************************************************************/
int threadPoolDestroy(ThreadPool* pool)
{
	if (!pool) return -1;
	//关闭线程池
	pool->shutdown = 1;
	//阻塞回收管理者线程
	pthread_join(pool->managerID, NULL);
	//唤醒所有工作线程，让其自杀
	for (int i = 0; i < pool->liveNum; ++i) {
		pthread_cond_signal(&pool->notEmpty);
	}
	//释放所有互斥锁和条件变量
	pthread_mutex_destroy(&pool->mutexBusy);
	pthread_mutex_destroy(&pool->mutexPool);
	pthread_cond_destroy(&pool->notEmpty);
	pthread_cond_destroy(&pool->notFull);
	//释放堆空间
	if (pool->taskQ) {
		free(pool->taskQ);
		pool->taskQ = NULL;
	}
	if (pool->threadIDs) {
		free(pool->threadIDs);
		pool->threadIDs = NULL;
	}
	free(pool);
	pool = NULL;
	return 0;
}


/***************************************************************
 * 函  数: threadPoolAdd
 * 功  能: 生产者往线程池的任务队列中添加任务
 * 参  数: pool---线程池
 *		   func---函数指针，要执行的任务地址
 *		   arg---func指向的函数的实参
 * 返回值: 无
 **************************************************************/
void threadPoolAdd(ThreadPool* pool, void(*func)(void*), void* arg)
{
	pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
	//任务队列满，阻塞生产者
	while (pool->queueSize == pool->queueCapacity && !pool->shutdown) {
		pthread_cond_wait(&pool->notFull, &pool->mutexPool);
	}
	//判断线程池是否关闭
	if (pool->shutdown) {
		pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
		return;
	}
	//添加任务进pool->taskQ
	pool->taskQ[pool->queueRear].func = func;
	pool->taskQ[pool->queueRear].arg = arg;
	pool->queueSize++;
	pool->queueRear = (pool->queueRear + 1) % pool->queueCapacity;
	pthread_cond_signal(&pool->notEmpty);//唤醒工作线程
	pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
}


/***************************************************************
 * 函  数: getThreadPoolBusyNum
 * 功  能: 获取线程池忙的工作线程数量
 * 参  数: pool---线程池
 * 返回值: 忙的工作线程数量
 **************************************************************/
int getThreadPoolBusyNum(ThreadPool* pool)
{
	pthread_mutex_lock(&pool->mutexBusy);
	int busyNum = pool->busyNum;
	pthread_mutex_unlock(&pool->mutexBusy);
	return busyNum;
}


/***************************************************************
 * 函  数: getThreadPoolAliveNum
 * 功  能: 获取线程池存活的工作线程数量
 * 参  数: pool---线程池
 * 返回值: 存活的工作线程数量
 **************************************************************/
int getThreadPoolAliveNum(ThreadPool* pool)
{
	pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
	int liveNum = pool->liveNum;
	pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
	return liveNum;
}


/***************************************************************
 * 函  数: worker
 * 功  能: 工作线程的执行函数
 * 参  数: arg---实参传入，这里传入的是线程池
 * 返回值: 空指针
 **************************************************************/
void* worker(void* arg)
{
	ThreadPool* pool = (ThreadPool*)arg;
	while (1) {
		/* 1.取出任务队列中的队头任务 */
		pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
		//无任务就阻塞线程
		while (pool->queueSize == 0 && !pool->shutdown) {
			pthread_cond_wait(&pool->notEmpty, &pool->mutexPool);
			//唤醒后，判断是不是要销毁线程
			if (pool->exitNum > 0) {//线程自杀
				pool->exitNum--;//销毁指标-1
				if (pool->liveNum > pool->minNum) {
					pool->liveNum--;//活着的工作线程-1
					pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
					threadExit(pool);
				}
			}
		}
		//线程池关闭了就退出线程
		if (pool->shutdown) {
			pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
			threadExit(pool);
		}
		//取出pool中taskQ的任务
		Task task;
		task.func = pool->taskQ[pool->queueFront].func;
		task.arg = pool->taskQ[pool->queueFront].arg;
		pool->queueFront = (pool->queueFront + 1) % pool->queueCapacity;//移动队头
		pool->queueSize--;
		//通知生产者添加任务
		pthread_cond_signal(&pool->notFull);
		pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);

		/* 2.设置pool的busyNum+1 */
		pthread_mutex_lock(&pool->mutexBusy);
		pool->busyNum++;
		pthread_mutex_unlock(&pool->mutexBusy);

		/* 3.执行取出的任务 */
		printf("thread %ld start working ...\n", pthread_self());
		task.func(task.arg);
		free(task.arg);
		task.arg = NULL;
		printf("thread %ld end working ...\n", pthread_self());

		/* 4.设置pool的busyNum-1 */
		pthread_mutex_lock(&pool->mutexBusy);
		pool->busyNum--;
		pthread_mutex_unlock(&pool->mutexBusy);
	}
	return NULL;
}


/***************************************************************
 * 函  数: manager
 * 功  能: 管理者线程的执行函数
 * 参  数: arg---实参传入，这里传入的是线程池
 * 返回值: 空指针
 **************************************************************/
void* manager(void* arg)
{
	ThreadPool* pool = (ThreadPool*)arg;
	while (!pool->shutdown) {
		/* 每隔3秒检测一次 */
		sleep(3);

		/* 获取pool中相关变量 */
		pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
		int taskNum = pool->queueSize;	//任务队列中的任务数量
		int liveNum = pool->liveNum;	//存活的工作线程数量
		int busyNum = pool->busyNum;	//忙碌的工作线程数量
		pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);

		/* 功能一：增加工作线程，每次增加NUMBER个 */
		//当任务个数大于存活工作线程数，且存活工作线程数小于最大值
		if (taskNum > liveNum && liveNum < pool->maxNum) {
			pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
			int counter = 0;
			for (int i = 0; i < pool->maxNum && counter < NUMBER
				&& pool->liveNum < pool->maxNum; ++i)
			{
				if (pool->threadIDs[i] == 0) {
					pthread_create(&pool->threadIDs[i], NULL, worker, pool);
					counter++;
					pool->liveNum++;
				}
			}
			pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
		}

		/* 功能二：销毁工作线程，每次销毁NUMBER个 */
		//当忙的线程数*2 < 存活线程数，且存活线程数 > 最小线程数
		if (busyNum * 2 < liveNum && liveNum > pool->minNum) {
			pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
			pool->exitNum = NUMBER;
			//唤醒NUMBER个工作线程，让其解除阻塞，在worker函数中自杀
			for (int i = 0; i < NUMBER; ++i) {
				pthread_cond_signal(&pool->notEmpty);
			}
			pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
		}
	}
	return NULL;
}



/***************************************************************
 * 函  数: threadExit
 * 功  能: 工作线程退出函数，将工作线程的ID置为0，然后退出
 * 参  数: pool---线程池
 * 返回值: 无
 **************************************************************/
void threadExit(ThreadPool* pool)
{
	//将pool->threadIDs中的ID改为0
	pthread_t tid = pthread_self();
	for (int i = 0; i < pool->maxNum; i++) {
		if (pool->threadIDs[i] == tid) {
			pool->threadIDs[i] = 0;
			printf("threadExit() called, %ld exiting...\n", tid);
			break;
		}
	}
	pthread_exit(NULL);//退出
}

【2】threadpool.h:

cpp 复制代码

#ifndef _THREADPOOL_H
#define _THREADPOOL_H

typedef struct ThreadPool ThreadPool;

//创建线程池并初始化
ThreadPool* threadPoolCreate(int min, int max, int capacity);

//销毁线程池
int threadPoolDestroy(ThreadPool* pool);

//给线程池添加任务
void threadPoolAdd(ThreadPool* pool, void(*func)(void*), void* arg);

//获取当前忙碌的工作线程的数量
int getThreadPoolBusyNum(ThreadPool* pool);

//获取当前存活的工作线程的数量
int getThreadPoolAliveNum(ThreadPool* pool);

/*********************其它函数**********************/
void* worker(void* arg);//工作线程的执行函数
void* manager(void* arg);//管理者线程的执行函数
void threadExit(ThreadPool* pool);//线程退出函数

#endif

【3】main.c:

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include "threadpool.h"
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

//任务函数，所有线程都执行此任务
void testFunc(void* arg)
{
	int* num = (int*)arg;
	printf("thread %ld is working, number = %d\n", pthread_self(), *num);
	sleep(1);
}

int main()
{
	//创建线程池: 最少3个工作线程，最多10个，任务队列容量为100
	ThreadPool* pool = threadPoolCreate(3, 10, 100);
	//加入100个任务于任务队列
	for (int i = 0; i < 100; ++i) {
		int* num = (int*)malloc(sizeof(int));
		*num = i + 100;
		threadPoolAdd(pool, testFunc, num);
	}
	//销毁线程池
	sleep(30);//保证任务全部运行完毕
	threadPoolDestroy(pool);
	return 0;
}

【4】运行结果：

......