通用线程池的设计和实现[C语言]

• 作者：邹祁峰
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• 日期：2012.12.28
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1 适用场景

    首先，必须明确一点，线程池不是万能的，它有其特定的使用场景。使用线程池是为了减小线程本身的开销对应用性能所产生的影响，但是其前提是线程本身创建、销毁的开销和线程执行任务的开销相比是不可忽略的。如果线程本身创建、销毁的开销对应用程序的性能可以忽略不计，那么使用/不使用线程池对程序的性能并不会有太大的影响。因此，线程池通常适合以下几种场景：

    1)、单位时间内处理的任务频繁，且任务时间较短

    2)、对实时性要求较高。如果接收到任务之后再创建线程，可能无法满足实时性的要求，此时必须使用线程池。

    3)、必须经常面对高突发性事件。比如Web服务器。如果有足球转播，则服务器将产生巨大冲击，此时使用传统方法，则必须不停的大量创建、销毁线程。此时采用动态线程池可以避免这种情况的发生。

2 代码实现

注意事项：因非分离线程在异常退出时，操作系统无法及时回收其占用的内存空间，因此，使用分离线程。但请注意：不要使用pthread_detach()来使线程成为分离线程，而应该通过线程属性（pthread_attr_t）的参数来设置线程为分离线程。否则，当线程退出后，再调用pthread_kill（）来判断线程是否还存在时，很可能出现段错误。

2.1 头文件

#if !defined(__THREAD_POOL_H__)
#define __THREAD_POOL_H__

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

// 布尔类型
typedef int bool;
#define false (0)
#define true  (1)

/* 线程任务链表 */
typedef struct _thread_worker_t
{
	void *(*process)(void *arg);  /* 线程处理的任务 */
	void *arg;                    /* 任务接口参数 */
	struct _thread_worker_t *next;/* 下一个节点 */
}thread_worker_t;

/* 线程池对象 */
typedef struct
{
	pthread_mutex_t queue_lock;   /* 队列互斥锁 */
	pthread_cond_t queue_ready;   /* 队列条件锁 */

	thread_worker_t *head;        /* 任务队列头指针 */
	bool isdestroy;               /* 是否已销毁线程 */
	pthread_t *threadid;          /* 线程ID数组 —动态分配空间 */
	int reqnum;                   /* 请求创建的线程个数 */
	int num;                      /* 实际创建的线程个数 */
	int queue_size;               /* 工作队列当前大小 */
}thread_pool_t;

/* 函数声明 */
extern int thread_pool_init(thread_pool_t **pool, int num);
extern int thread_pool_add_worker(thread_pool_t *pool, void *(*process)(void *arg), void *arg);
extern int thread_pool_keepalive(thread_pool_t *pool);
extern int thread_pool_destroy(thread_pool_t *pool);

#endif /*__THREAD_POOL_H__*/

2.2 函数实现

/*************************************************************
 **功  能：线程池的初始化
 **参  数：
 **    pool：线程池对象
 **    num ：线程池中线程个数
 **返回值：0：成功 !0: 失败
 *************************************************************/
int thread_pool_init(thread_pool_t **pool, int num)
{
	int idx = 0;

    /* 为线程池分配空间 */
	*pool = (thread_pool_t*)calloc(1, sizeof(thread_pool_t));
	if(NULL == *pool) {
		return -1;
	}

    /* 初始化线程池 */
	pthread_mutex_init(&((*pool)->queue_lock), NULL);
	pthread_cond_init(&((*pool)->queue_ready), NULL);
	(*pool)->head = NULL;
	(*pool)->reqnum = num;
	(*pool)->queue_size = 0;
	(*pool)->isdestroy = false;
	(*pool)->threadid = (pthread_t*)calloc(1, num*sizeof(pthread_t));
	if(NULL == (*pool)->threadid) {
		free(*pool);
		(*pool) = NULL;

		return -1;
	}

        /* 依次创建线程 */
	for(idx=0; idxnum++;
	}

	return 0;
}

/*************************************************************
 **功  能：将任务加入线程池处理队列
 **参  数：
 **    pool：线程池对象
 **    process：需处理的任务
 **    arg: process函数的参数
 **返回值：0：成功 !0: 失败
 *************************************************************/
int thread_pool_add_worker(thread_pool_t *pool, void *(*process)(void *arg), void *arg)
{
	thread_worker_t *worker=NULL, *member=NULL;
	
	worker = (thread_worker_t*)calloc(1, sizeof(thread_worker_t));
	if(NULL == worker) {
		return -1;
	}

	worker->process = process;
	worker->arg = arg;
	worker->next = NULL;

	pthread_mutex_lock(&(pool->queue_lock));

	member = pool->head;
	if(NULL != member) {
		while(NULL != member->next) member = member->next;
		member->next = worker;
	}

	else {

pool->head = worker;}pool->queue_size++;pthread_mutex_unlock(&(pool->queue_lock));pthread_cond_signal(&(pool->queue_ready));return 0;}

/******************************************************************************
 **函数名称: thread_pool_keepalive
 **功    能: 线程保活
 **输入参数: 
 **       pool: 线程池
 **输出参数: NONE
 **返    回: 0: success !0: failed
 **实现过程:
 **      1. 判断线程是否存在
 **      2. 不存在，说明线程死亡，需重新创建
 ******************************************************************************/
int thread_pool_keepalive(thread_pool_t *pool)
{
	int idx=0, ret=0;

 	for(idx=0; idxnum; idx++) {
		ret = pthread_kill(pool->thread[idx], 0);
		if(ESRCH == ret) {
			ret = thread_create_detach(pool, idx);
			if(ret < 0) {
				return -1;
			}
		}
	}

	return 0;
}

/*************************************************************
 **功  能：线程池的销毁
 **参  数：
 **    pool：线程池对象
 **返回值：0：成功 !0: 失败
 *************************************************************/
int thread_pool_destroy(thread_pool_t *pool)
{
	int idx = 0;
	thread_worker_t *member = NULL;

	if(false != pool->isdestroy) {
		return -1;
	}

	pool->isdestroy = true;

	pthread_cond_broadcast(&(pool->queue_ready));
	for(idx=0; idxnum; idx++) {
		ret = pthread_kill(pool->threadid[idx], 0);
		if(ESRCH == ret) {
			continue;
		}
		else {
			idx--;
			sleep(1);
		}
	}

	free(pool->threadid);
	pool->threadid = NULL;

	while(NULL != pool->head) {
		member = pool->head;
		pool->head = member->next;
		free(member);
	}

	pthread_mutex_destroy(&(pool->queue_lock));
	pthread_cond_destroy(&(pool->queue_ready));
	free(pool);
	
	return 0;
}

/******************************************************************************
 **函数名称: thread_create_detach
 **功    能: 创建分离线程
 **输入参数: 
 **       pool: 线程池
 **       idx: 线程索引号
 **输出参数: NONE
 **返    回: 0: success !0: failed
 ******************************************************************************/
static int thread_create_detach(thread_pool_t *pool, int idx)
{
	int ret = 0;
	pthread_attr_t attr;

	do {
		ret = pthread_attr_init(&attr);
		if(0 != ret) {
			return -1;
		}
		
		ret = pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
		if(0 != ret) {
			return -1;
		}
		
		ret = pthread_create(&((*pool)->threadid[idx]), &attr, thread_routine, *pool);
		if(0 != ret) {
			pthread_attr_destroy(&attr);
			
			if(EINTR == errno) {
				continue;
			}
			return -1;
		}
		pthread_attr_destroy(&attr);
	}while(0);

	return 0;
}

/*************************************************************
 **功  能：线程池各个线程入口函数
 **参  数：
 **    arg：线程池对象
 **返回值：0：成功 !0: 失败
 *************************************************************/
static void *thread_routine(void *arg)
{
	thread_worker_t *worker = NULL;
	thread_pool_t *pool = (thread_pool_t*)arg;

	while(1) {
		pthread_mutex_lock(&(pool->queue_lock));
		while((false == pool->isdestroy) && (0 == pool->queue_size)) {
			pthread_cond_wait(&(pool->queue_ready), &(pool->queue_lock));
		}

		if(false != pool->isdestroy) {
			pthread_mutex_unlock(&(pool->queue_lock));
			pthread_exit(NULL);
		}

		pool->queue_size--;
		worker = pool->head;
		pool->head = worker->next;
		pthread_mutex_unlock(&(pool->queue_lock);
		/* 执行队列中的任务 */
		(*(worker->process))(worker->arg);

		free(worker);
		worker = NULL;
	}
}

3 函数调用

#define THREAD_MAX_NUM (32)
#define SLEEP	(10)

int myprocess(void *arg)
{
	fprintf(stdout, "[%s][%d] threadid:%d arg:%d", __FILE__, __LINE__, pthread_self(), *(int*)arg);
	return 0;
}

int main(void)
{
	int ret=0, idx=0;
	thread_pool_t *pool = NULL;
	int array[THREAD_MAX_NUM] = {0};

	ret = thread_pool_init(&pool, THREAD_MAX_NUM);
	if(ret < 0) {
		return -1;
	}

	for(idx=0; idx