【Linux】线程池

何陈陈2024-10-07 17:25

1 .线程池概念

  • 线程池就是一种多线程处理形式。处理过程中可以将任务添加到队列中。然后创建线程后启动这些任务用创建的线程去执行。
  • 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。
  • 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。

2 .为什么使用线程池

使用线程池可以根据系统的需求和硬件环境灵活的控制线程的数量,且可以对所有线程进行统一的管理和控制,从而提高系统的运行效率,降低系统运行运行压力;当然了,使用线程池的原因不仅仅只有这些,我们可以从线程池自身的优点上来进一步了解线程池的好处;

  1. 线程和任务分离,提升线程重用性;
  2. 控制线程并发数量,降低服务器压力,统一管理所有线程;
  3. 提升系统响应速度,假如创建线程用的时间为T1，执行任务用的时间为T2,销毁线程用的时间为T3，那么使用线程池就免去了T1和T3的时间；也就是说，减少了线程创建与销毁的次数。

3 . 线程池的应用场景

  1. 需要大量的线程来完成任务，且完成任务的时间比较短。
    • WEB服务器完成网页请求这样的任务，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，你可以想象一个热门网站的点击次数。 但对于长时间的任务，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。
  2. 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。
  3. 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。突发性大量客户请求，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.

4 . 线程池的实现

  • 现在要实现一个主线程不停的往任务队列中放任务，然后让线程池中的线程从任务队列中获取任务，再进行任务处理的一个简易线程池。

  • 实现的这个简易的线程池整体分为线程池主体部分代码、任务部分代码、单个部分代码这三部分。

这里线程池的实现用到了单例模式，下面介绍单例模式：
什么是单例模式：

  • 单例模式是一种 "经典的, 常用的, 常考的" 设计模式.

单例模式的特点

  • 某些类, 只应该具有一个对象(实例), 就称之为单例.
  • 例如一个男人只能有一个媳妇.
  • 在很多服务器开发场景中, 经常需要让服务器加载很多的数据 (上百G) 到内存中. 此时往往要用一个单例的类来管理这些数据
    饿汉实现方式和懒汉实现方式

吃完饭 , 立刻洗碗 , 这种就是饿汉方式 . 因为下一顿吃的时候可以立刻拿着碗就能吃饭 .
吃完饭 , 先把碗放下 , 然后下一顿饭用到这个碗了再洗碗 , 就是懒汉方式 .

  • 懒汉方式最核心的思想是 "延时加载". 从而能够优化服务器的启动速度.

饿汉方式实现单例模式

cs 复制代码 
template <typename T>
class Singleton {
static T data;
public:
static T* GetInstance() {
return &data;
}
};
  • 只要通过 Singleton 这个包装类来使用 T 对象, 则一个进程中只有一个 T 对象的实例
    懒汉方式实现单例模式
cpp 复制代码 
template <typename T>
class Singleton {
static T* inst;
public:
static T* GetInstance() {
if (inst == NULL) {
inst = new T();
}
return inst;
}
};
  • 懒汉方式存在一个严重的问题, 线程不安全.
  • 第一次调用 GetInstance 的时候, 如果两个线程同时调用, 可能会创建出两份 T 对象的实例.
  • 但是后续再次调用, 就没有问题了

懒汉方式实现单例模式 ( 线程安全版本 )

cpp 复制代码 
// 懒汉模式, 线程安全
template <typename T>
class Singleton {
volatile static T* inst; // 需要设置 volatile 关键字, 否则可能被编译器优化.
static std::mutex lock;
public:
static T* GetInstance() {
if (inst == NULL) { // 双重判定空指针, 降低锁冲突的概率, 提高性能.
lock.lock(); // 使用互斥锁, 保证多线程情况下也只调用一次 new.
if (inst == NULL) {
inst = new T();
}
lock.unlock();
}
return inst;
}
};

注意事项 :

  1. 加锁解锁的位置
  2. 双重 if 判定, 避免不必要的锁竞争
  3. volatile关键字防止过度优化
    下面我们用懒汉方式造一个简易的线程池：
  • ThreadPool.hpp
cpp 复制代码 
#pragma once
#include "LockGuard.hpp"
#include "Thread.hpp"
#include "Log.hpp"
#include <vector>
#include <functional>
#include <queue>
#include <unistd.h>

using namespace hcc;
using namespace ThreadMoudle;
const int gdefaultnum = 5;
template <class T>
class ThreadPool
{
    //将加锁和解锁封装为函数
    void LockQueue()
    {
        pthread_mutex_lock(&_mutex);
    }
    void UnLockQueue()
    {
        pthread_mutex_unlock(&_mutex);
    }
    //唤醒所有线程或者单个线程
    void Wake()
    {
        pthread_cond_signal(&_cond);
    }
    void WakeAll()
    {
        pthread_cond_broadcast(&_cond);
    }
    //判断任务列表中还有没有任务
    bool IsEmpty()
    {
        return _task_queue.empty();
    }
    //条件变量等待
    void Sleep()
    {
        pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex);
    }
    //构造线程池，初始化
    ThreadPool(int thread_num = gdefaultnum) : _thread_num(thread_num), _isrunning(true), _sleep_thread_num(0)
    {
        pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);
        pthread_cond_init(&_cond, nullptr);
    }

    //处理任务函数
    void HandlerTask(const std::string &name)
    {
        while (true)
        {
            LockQueue();
            while (IsEmpty() && _isrunning)
            {
                //没有任务等待任务到来，被唤醒后去执行任务
                _sleep_thread_num++;
                Sleep();
                _sleep_thread_num--;
            }
            if (!IsEmpty() && !_isrunning) // 处理有任务，但是没有执行的情况
            {  
                UnLockQueue();
                std::cout << name << " quit" << "\n";
                break;
            }
            // 处理任务
            // std::cout << name << " 处理任务" << "\n";
            LOG(INFO,"%s 正在处理任务\n",name.c_str());
            T task;
            task = _task_queue.front();
            _task_queue.pop();
            task();
            UnLockQueue();
        }
    }
    //初始化创建 _thread_num 个线程，并用vector管理起来
    void init()
    {
        func_t func = std::bind(&ThreadPool::HandlerTask, this, std::placeholders::_1);
        for (int i = 0; i < _thread_num; i++)
        {
            std::string name = "thread - " + std::to_string(i + 1);
            _threads.emplace_back(name, func);
        }
        Start();
    }
    //private里面放了构造函数。这里给单例模式提供了条件
public:
    //放任务到任务列表
    void Equeue(T &in)
    {
        LockQueue();
        if (_isrunning)
        {
            _task_queue.push(in);
            std::cout << "make a data" << "\n";
            std::cout << _task_queue.size() << std::endl;
            if (_sleep_thread_num > 0)
                Wake();
        }
        UnLockQueue();
    }
    //将所有线程都启动
    void Start()
    {
        _isrunning = true;
        for (auto &thread : _threads) // 这里不加引用的话可能会乱码
        {
            thread.Start();
        }
    }
    //停止所有线程
    void Stop()
    {
        LockQueue();
        _isrunning = false;
        WakeAll();
        std::cout << "_sleep_thread_num " << _sleep_thread_num << "\n";
        UnLockQueue();
        std::cout << "Stop all thread" << std::endl;
        LOG(INFO,"threadpool heve stop excute\n");
    }

    //懒汉方式设计单例模式
    static ThreadPool<T>*GetInstance()
    {
        if(_tp==nullptr)
        {
            //加一把锁防止同时两个线程都去创建线程池
            //这里用一个类来封装该锁
            LockGuard lockguard(&_sig_mutex);
            if(_tp==nullptr)
            {
                _tp=new ThreadPool();
                _tp->init();
                _tp->Start();
                LOG(DEBUG,"Create a new threadpool\n");
            }
            //已经创建了一个线程了，就返回该线程
            else 
            {
                LOG(WARNING,"already have a threadpool\n ");
            }
        }
        return _tp;
    }
    ~ThreadPool()
    {
        pthread_mutex_destroy(&_mutex);
        pthread_cond_destroy(&_cond);
    }
    //单例模式要把构造和赋值构造删除或者私有化
    ThreadPool(const ThreadPool<T>&)=delete;
    void operator=(const ThreadPool<T>&)=delete;
private:
    int _thread_num;    // 线程个数
    std::vector<Thread> _threads; //管理线程的结构
    std::queue<T> _task_queue;  //任务列表 用队列保存
    bool _isrunning;    //判断线程是否工作

    int _sleep_thread_num;  //休眠线程个数

    pthread_mutex_t _mutex; //互斥锁
    pthread_cond_t _cond;   //条件变量

        //单例模式
    static ThreadPool<T> *_tp;
    static pthread_mutex_t _sig_mutex; //给单例模式设计的锁
};

//类的静态成员要在类外初始化------const成员要在初始化列表初始化
template<class T>
ThreadPool<T>*ThreadPool<T>::_tp=nullptr;

//单例模式的锁不能在构造函数初始化，只能在外面初始化
template<class T>
pthread_mutex_t ThreadPool<T>::_sig_mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
  • Thread.hpp
cpp 复制代码 
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <functional>
#include <unistd.h>
namespace ThreadMoudle
{
    // typedef void (*func_t)(const std::string name);
    using func_t = std::function<void(const std::string &)>;
    class Thread
    {
        void Excute()
        {
            std::cout << _name << "  is running " << std::endl;
            _isrunning = true;
            _func(_name);
            _isrunning = false;
        }
        //单个线程要执行的方法
        static void *ThreadRoutine(void *args)
        {
            Thread *self = static_cast<Thread *>(args);
            self->Excute();
            return nullptr;
        }

    public:
        Thread(const std::string name, func_t func)
            : _name(name), _func(func)
        {
        }

        bool Start()
        {
            int n = ::pthread_create(&_tid, nullptr, ThreadRoutine, this);
            if (n != 0)
                return false;
            return true;
        }
        std::string Status()
        {
            if (_isrunning)
                return "running";
            else
                return "sleep";
        }
        void Join()
        {
            ::pthread_join(_tid, nullptr);
            std::cout << _name << " join" << std::endl;
        }
        void Stop()
        {
            if (_isrunning)
            {
                ::pthread_cancel(_tid);
                _isrunning = false;
                std::cout << _name << " Stop" << std::endl;
            }
        }
        ~Thread() 
        {
            
        }

    private:
        std::string _name;
        pthread_t _tid;
        bool _isrunning;
        func_t _func; // 线程要执行的回调函数
    };
}
  • Task.hpp 这里我们创建一个执行加法的任务
cpp 复制代码 
#pragma once
#include <iostream>
#include <functional>

// typedef std::function<void()> task_t;
using Task_t = std::function<void(const std::string&)>;


class Task
{
    void Excute()
    {
        _result = _x + _y;
        std::cout<<result()<<"\n";
    }

public:
    Task()
    {
    }
    Task(int x, int y) : _x(x), _y(y) {}

    void operator()()
    {
        Excute();
    }
    std::string debug()
    {
        std::string msg = std::to_string(_x) + "+" + std::to_string(_y) + " =?";
        return msg;
    }
    std::string result()
    {
        std::string msg = std::to_string(_x) + "+" + std::to_string(_y) + " = " + std::to_string(_result);
        return msg;
    }

private:
    int _x;
    int _y;
    int _result;
};
  • LockGuard.hpp RALL编程思想
cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include<pthread.h>


class LockGuard
{
    public:
    LockGuard(pthread_mutex_t*mutex):_mutex(mutex)
    {
        pthread_mutex_lock(_mutex);
    }
    ~LockGuard()
    {
        pthread_mutex_unlock(_mutex);
    }
    private:
    pthread_mutex_t *_mutex;

};

这里我们还增加了日志：日志的实现主要就是将当前地点的时间，位置等信息打印出来

  • Log.hpp
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cstdarg>
#include <fstream>

namespace hcc
{
    enum Level
    {
        DEBUG = 1,
        INFO,
        WARNING,
        ERROR,
        FATAL
    };
    std::string LevelToString(int level)
    {
        switch (level)
        {
        case DEBUG:
            return "DEBUG";
        case INFO:
            return "INFO";
        case WARNING:
            return "WARNING";
        case ERROR:
            return "ERROR";
        case FATAL:
            return "FATAL";
        default:
            return "UNKNOWN";
        }
    }
    class logmessage
    {
    public:
        std::string _level;
        pid_t _id;
        std::string _filename;
        int _filenumber;
        std::string _cur_time;
        std::string _message_info;
    };
    std::string GetCurrTime()
    {
        time_t now = time(nullptr);
        struct tm *curr_time = localtime(&now);
        char buffer[128];
        snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d",
                 curr_time->tm_year + 1900,
                 curr_time->tm_mon + 1,
                 curr_time->tm_mday,
                 curr_time->tm_hour,
                 curr_time->tm_min,
                 curr_time->tm_sec);
        return buffer;
    }

#define SCREEN_TYPE 1
#define FILE_TYPE 2

    const std::string glogfile = "./log.txt";
    pthread_mutex_t glock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

    class Log
    {
    public:
        Log(const std::string &logfile = glogfile) : _logfile(glogfile)
        {
        }
        void Enable(int type)
        {
            _type = type;
        }
        void FulushLogToScreen(const logmessage &lg)
        {
            printf("[%s][%d][%s][%d][%s] %s",
                   lg._level.c_str(),
                   lg._id,
                   lg._filename.c_str(),
                   lg._filenumber,
                   lg._cur_time.c_str(),
                   lg._message_info.c_str());
        }
        void FlushLogToFile(const logmessage &lg)
        {
            std::ofstream out(_logfile, std::ios::app);
            if (!out.is_open())
                return;
            char logtxt[2048];
            snprintf(logtxt, sizeof(logtxt), "[%s][%d][%s][%d][%s] %s",
                     lg._level.c_str(),
                     lg._id,
                     lg._filename.c_str(),
                     lg._filenumber,
                     lg._cur_time.c_str(),
                     lg._message_info.c_str());
            out.write(logtxt, std::strlen(logtxt));
            out.close();
        }
        void FlushLog(const logmessage &lg)
        {
            LockGuard lockguard(&glock);
            switch (_type)
            {
            case SCREEN_TYPE:
                FulushLogToScreen(lg);
                break;
            case FILE_TYPE:
                FlushLogToFile(lg);
                break;
            }
        }
        void logMessage(std::string filename, int filenumber, int level, const char *format, ...)
        {
            logmessage lg;
            lg._level = LevelToString(level);
            lg._id = getpid();
            lg._filename = filename;
            lg._filenumber = filenumber;
            lg._cur_time = GetCurrTime();

            va_list ap;
            va_start(ap, format);
            char log_info[1024];
            vsnprintf(log_info, sizeof(log_info), format, ap);
            va_end(ap);
            lg._message_info = log_info;

            FlushLog(lg);
        }

    private:
        int _type;
        std::string _logfile;
    };
    Log lg;
#define LOG(Level, Format, ...)                                          \
    do                                                                   \
    {                                                                    \
        lg.logMessage(__FILE__, __LINE__, Level, Format, ##__VA_ARGS__); \
    } while (0)

#define EnableScreen()          \
    do                          \
    {                           \
        lg.Enable(SCREEN_TYPE); \
    } while (0)

#define EnableFILE()          \
    do                        \
    {                         \
        lg.Enable(FILE_TYPE); \
    } while (0)
}

执行结果：

可以看见，每次执行的任务都是线程交替执行。日志也在我想的地方打印出来了。

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