【Linux】第十五章 多线程（线程池）

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系列文章

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【Linux】第一章环境搭建和配置

【Linux】第二章常见指令和权限理解

【Linux】第三章Linux环境基础开发工具使用(yum+rzsz+vim+g++和gcc+gdb+make和Makefile+进度条+git)

【Linux】第四章 进程（冯诺依曼体系+操作系统+进程概念+PID和PPID+fork+运行状态和描述+进程优先级）

【Linux】第五章 环境变量（概念补充+作用+命令+main三个参数+environ+getenv()）

【Linux】第六章 进程地址空间（程序在内存中存储+虚拟地址+页表+mm_struct+写实拷贝+解释fork返回值）

【Linux】第七章 进程控制（进程创建+进程终止+进程等待+进程替换+min_shell）

【Linux】第八章 基础IO（open+write+read+文件描述符+重定向+缓冲区+文件系统管理+软硬链接）

【Linux】第九章 动态库和静态库（生成原理+生成和使用+动态链接）

【Linux】第十章 进程间通信（管道+system V共享内存）

【Linux】第十一章 进程信号（概念+产生信号+阻塞信号+捕捉信号）

【Linux】第十二章 多线程（线程概念+线程控制）

【Linux】第十三章 多线程（线程互斥+线程安全和可重入+死锁+线程同步）

【Linux】第十四章 多线程（生产者消费者模型+POSIX信号量）

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一、线程池

1.线程池概念

线程池： 一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销，而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。

2.线程池价值

• 线程池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充分利用，还能防止过分调度。

3.线程池应用

1. 需要大量的线程来完成任务，且完成任务的时间比较短。可同时处理多任务，多请求。
2. 有任务可以立即从线程池中调取线程取处理，节省了线程创建的时间，提高性能
3. 有效防止服务端线程过多而导致系统过载的问题

4.线程池和进程池

• 线程池占用资源少，但是健壮性不强
• 进程池占用资源多，但是健壮性更强（涉及进程间通信，可利用管道的阻塞队列实现进程间同步和互斥）

5.线程池实现

概述

• 一个队列： 存放任务
• 线程池中线程数： 记录线程池中创建的线程数
• 互斥量： 互斥锁
• 条件变量： 队列为空时的条件变量

框架：

#pragma once
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

#define NUM 5

template <class T>
class ThreadPool
{
public:
    ThreadPool(int threadNum = NUM) 
        :threadNum_(threadNum)
        ,isStart_(false)
    {
        pthread_mutex_init(&mutex_, nullptr);
        pthread_cond_init(&cond_, nullptr);
    }
    ~ThreadPool()
    {
        pthread_mutex_destroy(&mutex_);
        pthread_cond_destroy(&cond_);
    }
    //加锁
    void lockQueue() 
    { 
        pthread_mutex_lock(&mutex_); 
    }
    //解锁
    void unlockQueue() 
    { 
        pthread_mutex_unlock(&mutex_); 
    }
    //判空
    bool IsEmpty()
    {
        return taskQueue_.empty(); 
    }
    //等待
    void Wait() 
    { 
        pthread_cond_wait(&cond_, &mutex_);
    }
    //唤醒
    void WakeUp() 
    { 
        pthread_cond_signal(&cond_); 
    }
private:
    bool isStart_;          //线程池是否开始
    int threadNum_;         //线程池中线程的数量
    queue<T> taskQueue_;    //任务队列
    pthread_mutex_t mutex_;
    pthread_cond_t cond_;
};

初始化多个线程

• 线程池中，创建多个线程需要设置静态方法：

原本threadRoutine函数参数只有一个void*类型

创建线程的时候，把this指针传过去，让启动函数的arg 参数去接收即可作为成员函数，第一个参数默认是this指针，编译无法通过。

静态成员函数属于类，但不属于某个对象，静态成员函数没有this指针，所以将threadRoutine设置成静态函数，只有一个参数void*。

静态成员函数内部无法调用非静态成员函数，创建线程的时候，把this指针传过去，让启动函数的args 参数去接收即可

• 线程池中互斥锁和条件变量作用：

线程池中的任务队列是会被多个执行流同时访问的临界资源，因此我们需要引入互斥锁对任务队列进行保护。

线程池中的线程拿任务的时候判断线程池中是否有任务，如果队列此时没有任务，则阻塞等待，直到有任务被唤醒，需要引入条件变量

当外部线程向任务队列中Push一个任务后，需要唤醒等待的线程。

• 使用while：

防止某个线程出现异常导致影响其他线程

 //成员函数，都有默认参数this,而static函数没有this指针
 static void *threadRoutine(void *args)
 {
     pthread_detach(pthread_self());
     ThreadPool<T> *tp = (ThreadPool<T> *)args;
     while (1)
     {
         tp->lockQueue();
         while (tp->IsEmpty())
         {
             tp->Wait();
         }
         //拿任务
         T t = tp->pop();
         tp->unlockQueue();
         // 解锁后处理任务
         int x, y;
         char oper;
         t.get(&x, &y, &oper);
         cout << "新线程完成计算任务: " << x << oper << y << "=" << t.run() << endl;
     }
 }
 void start()
 {
     assert(!isStart_);
     for (int i = 0; i < threadNum_; i++)
     {
         pthread_t temp;
         pthread_create(&temp, nullptr, threadRoutine, this);//注意参数传入this指针
     }
     isStart_ = true;
 }

放入任务和取出任务

放任务： 主线程往任务队列中放任务，放任务之前进行加锁，放完任务解锁，然后唤醒在条件变量下等待的队列
取任务： 线程池中的线程从任务队列中取任务，这里不需要加锁，因为这个动作在启动函数中加锁的那一段区间中被调用的，其实已经上锁了

 //往任务队列塞任务（主线程调用）
 void push(const T &task)
 {
     lockQueue();
     taskQueue_.push(task);
     WakeUp();
     unlockQueue();
 }
 //从任务队列获取任务（线程池中的线程调用）
 T pop()
 {
     T temp = taskQueue_.front();
     taskQueue_.pop();
     return temp;
 }

封装一个任务

实现一个任务类，生产者把这个任务放进阻塞队列中，消费者取出并进行处理。其中还有一个run的任务执行方法

#pragma once
#include 
#include 

using namespace std;

class Task
{
public:
 Task()
     : _x(0), _y(0), _op('?')
 {
 }

 Task(int x, int y, char op)
     : _x(x), _y(y), _op(op)
 {
 }

 ~Task()
 {
 }

 int operator()()
 {
     return run();
 }
 int run()
 {
     int result = 0;
     switch (_op)
     {
     case '+':
         result = _x + _y;
         break;
     case '-':
         result = _x - _y;
         break;
     case '*':
         result = _x * _y;
         break;
     case '/':
     {
         if (_y == 0)
         {
             cout << "div zero, abort" << endl;
             result = -1;
         }
         else
         {
             result = _x / _y;
         }
     }
     break;
     case '%':
     {
         if (_y == 0)
         {
             cout << "mod zero, abort" << endl;
             result = -1;
         }
         else
         {
             result = _x % _y;
         }
     }
     break;
     default:
         cout << "非法操作: " << _op << endl;
         break;
     }
     return result;
 }
 int get(int *e1, int *e2, char *op)
 {
     *e1 = _x;
     *e2 = _y;
     *op = _op;
 }

private:
 int _x;
 int _y;
 char _op;
};

主线程逻辑

主线程负责创建线程池，然后放任务到线程池即可

#include "threadpool.hpp"
#include "test.hpp"
#include 
#include 
using namespace std;
const string operators = "+/*/%";
int main()
{
 srand((unsigned int)time(nullptr));
 ThreadPool<Task> *tp = new ThreadPool<Task>;
 tp->start();

 // 派发任务的线程
 while (true)
 {
     int x = rand() % 50;
     int y = rand() % 10;
     char oper = operators[rand() % operators.size()];
     cout << "主线程派发计算任务: " << x << oper << y << "=?" << endl;
     Task t(x, y, oper);
     tp->push(t);
     sleep(1);
 }
}

结果：主线程是每秒Push一个任务，线程池就处理一个任务

[Jungle@VM-20-8-centos:~/lesson36/threadpool]$ ./main
主线程派发计算任务: 40%3=?
新线程完成计算任务: 40%3=1
主线程派发计算任务: 25+4=?
新线程完成计算任务: 25+4=29
主线程派发计算任务: 38/4=?
新线程完成计算任务: 38/4=9
主线程派发计算任务: 30%8=?
新线程完成计算任务: 30%8=6

注意： 如果想让线程池处理其他不同的任务请求时，只需要提供一个任务类，在该任务类当中提供对应的任务处理方法就行了。

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