Linux —— 线程池
目录
一、什么是线程池
二、线程池的优点
三、线程池的应用
四、实现一个简单的线程池
五、单例模式
1. 饿汉实现方式
2. 懒汉实现方式
3. 单例模式实现线程池（懒汉方式）
六、其他常见的各种锁
一、什么是线程池
线程池是线程的一种使用模式。在前面的情况中，我们都是遇到任务然后创建线程再执行。但是线程的频繁创建就类似于内存的频繁申请，会给操作系统带来更大的压力，进而影响整体的性能。
所以我们一次申请好一定数量而定线程，然后将线程的管理操作交给线程池，就避免了在短时间内不断创建与销毁线程的代价，线程池不但能够保证内核的充分利用，还能防止过分调度，并根据实际业务情况进行修改。
二、线程池的优点
- 任务来到立马就有线程去执行任务，节省了创建线程的时间。
- 防止服务器线程过多导致的系统过载问题
- 相对于进程池，线程池资源占用较少，但是健壮性很差
三、线程池的应用
需要大量的线程来完成任务，且完成任务的时间比较短
- 例如：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。
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。
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。
四、实现一个简单的线程池
线程池中提供了一个任务队列，以及若干个线程。示意图如下：
thread_pool.hpp
#pragma once
#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;
namespace ns_threadpool
{
const int g_num = 5;
template
class ThreadPool
{
private:
int num_; //固定大小的线程池
queue task_queue_; //任务队列，使用STL的queue实现
pthread_mutex_t mtx_; //定义一把锁
pthread_cond_t cond_; //定义一个条件变量
public:
void Lock() { pthread_mutex_lock(&mtx_);} //加锁操作
void Unlock() { pthread_mutex_unlock(&mtx_);} //解锁操作
bool IsEmpety() { return task_queue_.empty();} //判断任务队列是否为空
void Wait() { pthread_cond_wait(&cond_, &mtx_);} //让线程在条件变量下等待
void WakeUp() { pthread_cond_signal(&cond_);} //唤醒在条件变量下等待的线程
public:
ThreadPool(int num = g_num):num_(num)
{
pthread_mutex_init(&mtx_, nullptr);
pthread_cond_init(&cond_, nullptr);
}
//在类中要让线程执行类内成员方法，是不可行的
//必须让线程执行静态方法
static void* Rountine(void* args)
{
pthread_detach(pthread_self());
ThreadPool* tp = (ThreadPool*)args;
while(true)
{
tp->Lock();
while(tp->IsEmpety())
{
tp->Wait();
}
T t;
tp->PopTask(&t);
tp->Unlock();
t.Run();
}
}
void InitThreadPool()
{
pthread_t tid;
for(int i = 0; i < num_; i++)
{
pthread_create(&tid, nullptr, Rountine, (void*)this);
}
}
void PushTask(const T& in)//向任务队列添加任务
{
Lock();
task_queue_.push(in);
Unlock();
WakeUp();
}
void PopTask(T* out)//从任务队列获取任务
{
*out = task_queue_.front();
task_queue_.pop();
}
~ThreadPool()
{
pthread_mutex_destroy(&mtx_);
pthread_cond_destroy(&cond_);
}
};
} Task.hpp
#pragma once
#include
#include
using namespace std;
namespace ns_task
{
class Task
{
private:
int x_;
int y_;
char op_;//用来表示：+ 、- 、* 、/ 、%
public:
Task(){}
Task(int x, int y, char op):x_(x), y_(y), op_(op){}
string show()
{
string message = to_string(x_);
message += op_;
message += to_string(y_);
message += "=?";
return message;
}
int Run()
{
int res = 0;
switch(op_)
{
case '+':
res = x_ + y_;
break;
case '-':
res = x_ - y_;
break;
case '*':
res = x_ * y_;
break;
case '/':
res = x_ / y_;
break;
case '%':
res = x_ % y_;
break;
default:
cout << "bug" << endl;
break;
}
printf("当前任务正在被：%lu处理，处理结果为：%d %c %d = %d\n",pthread_self(), x_, op_, y_, res);
return res;
}
int operator()()
{
return Run();
}
~Task(){}
};
} main.cc
#include "thread_pool.hpp"
#include "Task.hpp"
#include
#include
using namespace ns_threadpool;
using namespace ns_task;
int main()
{
ThreadPool* tp = new ThreadPool();//创建线程池
tp->InitThreadPool(); //进行初始化
srand((long long)time(nullptr));//生产随机数
while(true) //不断向任务队列塞数据
{
Task t(rand() % 20 + 1, rand() % 10 + 1, "+-*/%"[rand() % 5]);
tp->PushTask(t);
sleep(1);
}
return 0;
} 相关说明：
我们创建好了线程池之后，首次我们先是对其进行初始化操作；然后不断的向任务队列塞数据，由线程池中的线程去获取任务并执行相关操作；
1.任务队列（即临界资源）是会被多个执行流同时访问，因此我们需要引入互斥锁对任务队列进行保护。
2.线程池中的线程想要获取到任务队列中的任务，那么就必须要确保任务队列中有任务，所以我们还需引入条件变量来进行判断，如果队列中没有任务，线程池中的线程将会被挂起，直到任务队列中有任务后才被唤醒；
3.在thread_pool.hpp中，多线程去执行对应的方法的时候，采用的是静态成员函数，这样做的目的是解决类中存在隐藏的this指针问题，因为多线程在调用对应的函数时，该函数只有一个形参，不加static的话，那么形参个数就有两个，是不可以的；所以我们可以将this指针作为参数传递过去，就可以访问类内的成员函数了；
运行代码后一瞬间就有六个线程，其中一个是主线程，另外五个是线程池内处理任务的线程。
五、单例模式
单例（Singleton）模式，是一种常用的软件设计模式。在它的核心结构中只包含一个被称为单例的特殊类。通过单例模式可以保证系统中，应用该模式的类一个类只有一个实例。即一个类只有一个对象实例 ；
使用场景：
- 语义上只需要一个
- 该对象内部存在大量的空间，保存了大量的数据，如果允许该对象存在多份，或者允许发生各种拷贝，内存中存在冗余数据；
一般Singleton模式通常有三种形式:
- 饿汉式：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。
- 懒汉式：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"。（例如我们之前所学过的写时拷贝）从而能够优化服务器的启动速度。
1. 饿汉实现方式
该模式在类被加载时就会实例化一个对象，具体代码如下：
template
class Singleton
{
private:
static Singleton data;//饿汉模式，在加载的时候对象就已经存在了
public:
static Singleton* GetInstance()
{
return &data;
}
}; 该模式能简单快速的创建一个单例对象，而且是线程安全的(只在类加载时才会初始化，以后都不会)。但它有一个缺点，就是不管你要不要都会直接创建一个对象，会消耗一定的性能(当然很小很小，几乎可以忽略不计，所以这种模式在很多场合十分常用而且十分简单)
2. 懒汉实现方式
该模式只在你需要对象时才会生成单例对象(比如调用GetInstance方法)
template
class Singleton
{
private:
static Singleton* inst; //懒汉式单例，只有在调用GetInstance时才会实例化一个单例对象
public:
static Singleton* GetInstance()
{
if (inst == NULL)
{
inst = new Singleton();
}
return inst;
}
}; 看上去，这段代码没什么明显问题，但它不是线程安全的。假设当前有多个线程同时调用GetInstance（）方法，由于当前还没有对象生成，那么就会由多个线程创建多个对象。
// 懒汉模式, 线程安全
template
class Singleton
{
private:
static Singleton* inst;
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;
}
}; 这种形式是在懒汉方式的基础上增加的，当多个线程调用GetInstance方法时，此时类中没有对象，那么多个线程就会来到锁的位置，竞争锁。必然只能有一个线程竞争锁成功，此时再次判断有没有对象被创建（就是inst指针），如果没有就会new一个对象，如果有就会解锁，并返回已有的对象；
总的来说，这样的形式使得多个线程调用GetInstance方法时，无论成功与否，都会有返回值；
3. 单例模式实现线程池（懒汉方式）
thread_pool.hpp
#pragma once
#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;
namespace ns_threadpool
{
const int g_num = 5;
template
class ThreadPool
{
private:
int num_;
queue task_queue_;
pthread_mutex_t mtx_;
pthread_cond_t cond_;
static ThreadPool* ins;//类内的静态指针
private:
//构造函数必须得实现，必须初始化
ThreadPool(int num = g_num):num_(num)
{
pthread_mutex_init(&mtx_, nullptr);
pthread_cond_init(&cond_, nullptr);
}
ThreadPool(const ThreadPool& tp) = delete;
ThreadPool& operator=(ThreadPool& tp) = delete;
public:
static ThreadPool* GetInstance()
{
//使用静态的锁是不需要初始化和销毁的
static pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
if(ins == nullptr)//双判定，减少锁的征用，提高获取单例的效率
{
pthread_mutex_lock(&lock);
if(ins == nullptr)
{
ins = new ThreadPool();
ins->InitThreadPool();
cout << "首次加载对象..." << endl;
}
pthread_mutex_unlock(&lock);
}
return ins;
}
void Lock() { pthread_mutex_lock(&mtx_);}
void Unlock() { pthread_mutex_unlock(&mtx_);}
bool IsEmpety(){ return task_queue_.empty();}
void Wait() { pthread_cond_wait(&cond_, &mtx_);}
void WakeUp() { pthread_cond_signal(&cond_);}
public:
//在类中要让线程执行类内成员方法，是不可行的
//必须让线程执行静态方法
static void* Rountine(void* args)
{
pthread_detach(pthread_self());
ThreadPool* tp = (ThreadPool*)args;
while(true)
{
tp->Lock();
while(tp->IsEmpety())
{
tp->Wait();
}
T t;
tp->PopTask(&t);
tp->Unlock();
t.Run();
}
}
void InitThreadPool()
{
pthread_t tid;
for(int i = 0; i < num_; i++)
{
pthread_create(&tid, nullptr, Rountine, (void*)this);
}
}
void PushTask(const T& in)
{
Lock();
task_queue_.push(in);
Unlock();
WakeUp();
}
void PopTask(T* out)
{
*out = task_queue_.front();
task_queue_.pop();
}
~ThreadPool()
{
pthread_mutex_destroy(&mtx_);
pthread_cond_destroy(&cond_);
}
};
template
ThreadPool* ThreadPool::ins = nullptr;
} main.cc
#include "thread_pool.hpp"
#include "Task.hpp"
#include
#include
using namespace ns_threadpool;
using namespace ns_task;
int main()
{
cout << "当前正在运行我的进程和其他代码......" << endl;
cout << "当前正在运行我的进程和其他代码......" << endl;
cout << "当前正在运行我的进程和其他代码......" << endl;
cout << "当前正在运行我的进程和其他代码......" << endl;
cout << "当前正在运行我的进程和其他代码......" << endl;
cout << "当前正在运行我的进程和其他代码......" << endl;
cout << "当前正在运行我的进程和其他代码......" << endl;
sleep(5);
srand((long long)time(nullptr));
while(true)
{
sleep(1);
Task t(rand() % 20 + 1, rand() % 10 + 1, "+-*/%"[rand() % 5]);
ThreadPool::GetInstance()->PushTask(t);
//单列本身会在任何场景下，任何环境下被调用
//GetInstans()：被多线程重入，进而导致线程安全的问题
cout << ThreadPool::GetInstance() << endl;//获取对象的地址
}
return 0;
} Task.hpp同上
运行后发现对象的地址是一样的，表明单例调用成功了，只存在一份；
六、其他常见的各种锁
悲观锁：在每次取数据时，总是担心数据会被其他线程修改，所以会在取数据前先加锁（读锁，写锁，行锁等），当其他线程想要访问数据时，被阻塞挂起。悲观锁适用于写多读少的情况下，即：需要频繁的写数据时候，可以考虑使用悲观锁。乐观锁：每次取数据时候，总是乐观的认为数据不会被其他线程修改，因此不上锁。但是在更新数据前，会判断其他数据在更新前有没有对数据进行修改。乐观锁适用于读多写少的情况下，即：读数据多余写数据的时候，可以考虑使用乐观锁。自旋锁：当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断的判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环。