九、Linux系统编程：线程池编程

9 线程池编程

创建线程要花费昂贵的资源和时间，如果任务来了才创建线程那么响应时间会变长，而且一个进程能创建的线程数有限。为了避免这些问题，在程序启动的时候就创建若干线程来响应处理，它们被称为线程池，里面的线程叫工作线程。

9.1 概念

线程池是提前创建并维护多个线程，等待管理者分配任务的机制，避免短时间线程创建和销毁的代价，一般是IO密集型的场景使用。主要包括线程管理器、任务线程、消息队列。

举例：安检、银行柜台等

• 为什么使用线程池？
  频繁创建和销毁线程浪费CPU资源
• 线程池是什么？
  一堆线程放在一个池子里统一管理

9.2 构成

9.2.1 任务队列job_queue

• 作用
  存放待处理的任务
• 成员

构成	接口
处理函数	void *(*)(void*)
参数	void *arg
队列指针	struct job_queue* pnext

9.2.2 工作线程worker

• 作用
  处理任务

9.2.3 线程池thread_pool

• 作用
  管理多个线程并提供任务队列的接口
• 成员

构成	接口
初始化	threadpool_init()
销毁	threadpool_destroy()
添加任务	threadpool_add_job()

9.3 流程

• 使用流程
  1、初始化线程池
  2、向线程池添加任务
  3、销毁线程池

• 线程池初始化
  1、初始化任务队列和工作线程组
  2、将等候在条件变量（任务队列上有任务）上的一个线程唤醒并从该任务队列中取出第一个任务给该线程执行
  4、等待任务队列中所有任务执行完毕

9.4 实例

9.4.1 C++实现多线程读写

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
    mutex m;
    condition_variable cond;
    vector<int> vec;
    thread t([&]() {
        for(int i = 0; i < 10; ++i) {
            unique_lock<mutex> lock(m);
            while(vec.size()<5) cond.wait(lock); //wait
            cout << "sum:" << accumulate(vec.begin(),vec.end(),0) << endl;
            vec.clear();
        }
    });
    int n;
    while(cin >> n){
        lock_guard<mutex> lock(m);
        vec.push_back(n);
        if(vec.size()>=5) cond.notify_one(); //signal
    }
}

[root@localhost 8]# ./a.out 
1
2
3
4
5
sum:15
6
7
8
9
10
sum:40
^C

9.4.2 线程池（重要例子）

实例：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
class Threadpool{
    vector<thread> threads; 
    queue<function<void()>> tasks;
    condition_variable cond;
    mutex m;
    bool exited = false;
public:
    Threadpool(int num){
    	for(int i = 0;i < num;++i){
	    thread t([this](){
			while(true){
		    	function<void()> func;
		    	{
		    		unique_lock<mutex> lock(m);
					while(tasks.empty() && !exited){
			   			cond.wait(lock);
					}
					if(exited) break;
		       		func = tasks.front();
					tasks.pop();
		    	}
		    	func();
			}	    
	    });
	    threads.emplace_back(move(t));
	}
    }
    ~Threadpool(){
    	exited = true;
		cond.notify_all(); //signal 通知所有
		for(auto& thread:threads){
	    	thread.join();
		}
    }
    Threadpool(const Threadpool&) = default;
    Threadpool& operator=(const Threadpool&) = default;

    void AddTask(function<void()> func){
    	lock_guard<mutex> guard(m);
		tasks.push(func);
		cond.notify_one(); //signal
    }
};
int main(){
    auto test = [](){
        this_thread::sleep_for(2s);
		cout << this_thread::get_id() << ":do something..." << endl;
    };
    Threadpool pool(5);
    for(int i = 0;i < 15;++i){
    	pool.AddTask(test);
    }
    this_thread::sleep_for(10s); //等待15个线程执行完毕
}

优化：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
class Threadpool {
    vector<thread> threads;
    queue<function<void()>> tasks;
    condition_variable cond;
    mutex m;
    bool exited = false;
public:
    Threadpool(int num) {
        auto routine = [this]() {
            while(true) {
                unique_lock<mutex> lock(m);
                while(tasks.empty() && !exited) {
                    cond.wait(lock);
                }
                if(exited) break;
                auto func = tasks.front();
                tasks.pop();
                lock.unlock();
                func();
            }
        };
        for(int i = 0; i < num; ++i) {
            // thread t(routine);
            // threads.emplace_back(move(t));
            // threads.emplace_back(thread(routine));
            threads.emplace_back(thread{routine});
        }
    }
    ~Threadpool() {
        exited = true;
        cond.notify_all(); //signal 通知所有
        for(auto& thread:threads) {
            thread.join();
        }
    }
    Threadpool(const Threadpool&) = default;
    Threadpool& operator=(const Threadpool&) = default;

    void AddTask(function<void()> func) {
        lock_guard<mutex> guard(m);
        tasks.push(func);
        cond.notify_one(); //signal
    }
};
int main() { 
    mutex m;
    auto test = [&m]() {
        this_thread::sleep_for(2s);
		lock_guard<mutex> guard(m);
        cout << this_thread::get_id() << ":do something..." << endl;
    };
    Threadpool pool(5);
    for(int i = 0; i < 15; ++i) {
        pool.AddTask(test);
    }
    this_thread::sleep_for(10s); //等待15个线程执行完毕
}

[root@localhost 8]# g++ threadpool.cpp -pthread
[root@localhost 8]# ./a.out 
139998701491968:do something...
139998693099264:do something...
139998684706560:do something...
139998676313856:do something...
139998709884672:do something...
139998701491968:do something...
139998693099264:do something...
139998684706560:do something...
139998676313856:do something...
139998709884672:do something...
139998701491968:do something...
139998693099264:do something...
139998684706560:do something...
139998676313856:do something...
139998709884672:do something...