Linux 线程池

什么是线程池，为什么要使用线程池？

什么是线程池？

首先顾名思义，就是把一堆开辟好的线程放在一个池子统一管理，就是一个线程池。

为什么要使用线程池?

1. 难道来一个请求给它申请一个线程，请求处理完了释放线程不行吗？也行，但是如果创建线程和销毁线程的时间比线程处理请求时间长，而且请求很多的情况下，我们的 CPU 资源都浪费在创建线程和销毁线程上了，所以这种方法效率会比较低。于是，我们可以将若干已经创建好的线程放在一起统一管理，如果来了一个请求，我们就从线程池中取出一个线程来处理请求，处理完了放回池内等待下一个任务，线程池的好处是避免了繁琐的创建和结束线程的时间，有效的利用了 CPU 资源。

2. 还有一个很重要的作用就是异步解耦。我们在做开发的时候，日志也是很重要的。对于日志的保存，一般都是保存到磁盘上，要知道磁盘的读写要比内存慢很多倍。如果日志直接写入磁盘的话，会发现整个服务器吞吐量的性能被压在磁盘的读写上面。如何解决性能不被压在磁盘上面，我们引入线程池。线程池起到了一个异步解耦的作用。那什么是异步解耦？就是写磁盘和落盘这个两个动作不在一个流程里面。

线程池的模型

按照我的理解，线程池的作用和双缓冲的作用类似，可以完成任务处理的 ”鱼贯动作“。
最后，如何才能创建一个线程池的模型呢？一般需要以下三个参与者：

1. 线程池结构，它负责管理多个线程并提供任务队列的接口
2. 工作线程，它们负责处理任务
3. 任务队列，存放待处理的任务

有了三个参与者，下一个问题就是怎么使线程池安全有序的工作，可以使用 POSIX 中的信号量、互斥锁和条件变量等同步手段。下面描述了一个客户端发起请求时，服务器端是如何从线程池中取出一个线程进行处理的。

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

// 线程池里所有运行和等待的任务都是一个 Cthread_worker
// 这里的任务列表采用链表数据结构
typedef struct worker
{
	// 回调函数，任务运行时会调用此函数
	void *(*process)(void *args);
	void *args;		// 回调函数参数
	CThread_worker *next;
}CThread_worker;

// 线程池结构
typedef struct{
	pthread_mutex_t queue_lock;
	pthread_cond_t queue_ready;

	// 链表结构， 线程池中所有等待任务
	CThread_worker *queue_head;
	int cur_queue_size;		// 当前任务队列的任务数

	// 是否销毁线程池标志
	int shutdown;	// 是：1；否：0

	pthread_t *threads;		// 线程池中的线程
	int max_num;		// 线程池中允许的最大线程数
	
}CThread_pool;

// 向线程池中添加任务
int pool_add_worker(void*(*process)(void *), void *arg);

// 线程处理逻辑
void *thread_routine(void *arg);

// 声明一个线程池
static CThread_pool *pool = NULL;
// 初始化线程池
void pool_init(int max_num)
{
	int i = 0;
	// 为线程池分配空间
	pool = (CThread_pool *)malloc(sizeof(CThread_pool));
	assert(pool != NULL);
	// 初始化互斥量和条件变量
	pool->queue_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
	pool->queue_ready = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

	// 初始化等待任务链表
	pool->queue_head = NULL;
	pool->cur_queue_size = 0;

	pool->shutdown = 0;

	pool->threads = (pthread_t *)malloc(max_num * sizeof(pthread_t));
	assert(pool->threads != NULL);
	pool->max_num = max_num;

	for(; i < max_num; i++)
	{
		pthread_create(&(pool->threads[i]), NULL, thread_routine, (void *)pool);
	}
	
}

// 向线程中中添加任务
// void *(* process)(void *) ：添加任务的处理函数
int pool_add_worker(void *(* process)(void *), void * arg)
{
	// 构造一个新任务
	CThread_worker *job = (CThread_worker *)malloc(sizeof(CThread_worker));
	assert(job != NULL);

	job->process = process;
	job->args = arg;
	job->next = NULL;	// 别忘置空

	//将任务添加到等待队列中
	// 将新任务添加到链表尾
	CThread_worker *node = pool->queue_head;
	if(!node)
	{
		while(node)
			node = node->next;
		node->next = job;
	}
	else
	{
		pool->queue_head = job;
	}

	pool->cur_queue_size++;
	pthread_mutex_lock(&(pool->queue_lock));
	// 等待队列中有任务了，可以唤醒一个等待线程
	// 如果线程池中的线程都处于忙，那么该句不起作用
	pthread_cond_signal(&(pool->queue_ready));

	return 0;
}

// 工作线程执行函数
void *thread_routine(void * arg)
{
	printf("start thread %ld\n", pthread_self());
	while(1)
	{
		// 如果等待队列中没有任务并且不销毁线程池，则线程处于等待状态
		// pthread_cond_wait 是一个原子操作，等待前会解锁，唤醒后会加锁
		pthread_mutex_lock(&(pool->queue_lock));
		while(pool->cur_queue_size == 0 && pool->shutdown == 0)
		{
			printf("thread %ld is waiting\n", pthread_self());
			pthread_cond_wait(&(pool->queue_ready), &(pool->queue_lock));
		}

		// 如果想要销毁线程池
		if(pool->shutdown)
		{
			// 别忘了先解锁
			pthread_mutex_unlock(&(pool->queue_lock));
			printf ("thread 0x%x will exit\n", pthread_self ());
			pthread_exit(NULL);
		}

		 printf ("thread %ld is starting to work\n", pthread_self ());

		 assert(pool->cur_queue_size != 0 && pool->shutdown == 0);
		 assert(pool->queue_head != NULL);

		 // 等待任务长度减去1，并取走表头元素
		 pool->cur_queue_size--;
		 CThread_worker *curJob = pool->queue_head;
		 if(curJob->next)
		 	pool->queue_head = curJob->next;
		 else
		 	pool->queue_head = NULL;
		 pthread_mutex_unlock(&(pool->queue_lock));

		 // 通过回调函数，执行任务
		 (*(curJob->prccess))(curJob->args);
		 free(curJob);
		 curJob = NULL;

	}

	// 这一句应该是不可达的
	pthread_exit(NULL);
}

// 销毁线程池，等待任务队列中任务不再被执行，但是正在执行的线程会把任务运行完再退出
int pool_destroy()
{
	int i = 0;
	if(pool->shutdown)
		return -1;	// 防止两次调用
	pool->shutdown = 1;

	// 唤醒所有等待线程
	pthread_cond_broadcast(&(pool->queue_ready));

	// 阻塞线程退出，否则就成为僵尸线程
	for(; i < pool->cur_queue_size; i++)
	{
		pthread_join(pool->threads[i], NULL);
	}
	free(pool->threads);

	// 销毁等待队列
	CThread_worker *head = NULL;
	while(pool->queue_head)
	{
		head = pool->queue_head;
		pool->queue_head = pool->queue_head->next;
		free(head);
	}

	// 条件变量和互斥量也别忘了销毁
	pthread_mutex_destroy(&(pool->queue_lock));
	pthread_cond_destroy(&(pool->queue_ready));

	free(pool);

	// 销毁后置空
	pool = NULL;
	return 0;
}

【测试代码】

#include "pthread_pool.h"

void *myprocess(void *arg)
{
	int *i = (int *)arg;
	printf ("threadid is %ld, working on task %d\n", pthread_self (),*i);
     	sleep (1);/*休息一秒，延长任务的执行时间*/
    	return NULL;	
}
int main()
{
	pool_init(5);
	
	// put 10 job
	int jobs[10] = {0};
	int i;
	for(i = 0; i < 10; i++)
	{
		jobs[i] = i + 1;
		pool_add_worker(myprocess, (void *)&jobs[i]);
	}
	
	sleep(5);
	pool_destroy();

	return 0;
}

【运行结果】