【Linux】线程池

线程池

一、线程池的概念

线程池: 一种线程使用模式，线程过多会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。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。

优点：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的充分利用，还能防止过分调度。

其中线程池中的线程数量应该取决于：可用的并发处理器、处理器内核、内存、网络sockets等的数量。

二、线程池的应用场景

1. 需要大量的线程来完成任务，且完成任务的时间比较短。 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。

2. 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。

三、线程池的实现

下面我们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（多线程）

• 线程池中的多个线程负责从任务队列当中拿任务，并将拿到的任务进行处理。
• 线程池对外提供一个Push接口，用于让外部线程能够将任务Push到任务队列当中。

线程池的代码实现

• 首先，我们要能够确定线程的数量，所以我们要有一个_cap变量代表线程数目。
• 然后我们还要能把线程（对象）存储起来，方便我们后续进行管理线程。所以我们需要一个容器，这里我们选择vector
• 同理，我们的线程的任务是不确定的，如果有任务我们应该保存执行的任务，方便分配给线程。
• 由于是多线程程序，所以多个线程从任务队列中取任务时会有线程安全的问题，为了解决这个问题我们还要给任务队列配一把锁。
• 当线程被创建以后却没有任务时，线程应该被挂起等待，所以我们还需要一个条件变量来让线程完成等待任务。

#include 
#include 
#include 

template <class T>
class ThreadPool
{
public:
    ThreadPool(int cap = 5)
        :_cap(cap),_threads(cap)
    {
        pthread_mutex_init(&_tasks_mtx, nullptr);
        pthread_cond_init(&_cond, nullptr);
    }

    void push(const T& data)
    {
        QueueLock();
        _tasks.push(data);
        // 唤醒休眠的线程
        pthread_cond_signal(&_cond);
        QueueUnlock();
    }
    
    void start()
    {
        for (auto& e : _threads)
        {
            pthread_create(&e, nullptr, threadRoutine, this);
        }
    }
    
	// 线程的执行历程，必须是static函数不然有this指针，导致线程无法执行
    static void* threadRoutine(void* args)
    {
        // 分离线程
        pthread_detach(pthread_self());
        ThreadPool<T>* ptp = static_cast<ThreadPool<T>*>(args);
        
        while (true)
        {
            ptp->QueueLock();
            while (ptp->_tasks.empty())
            {
                // 当前没有任务，线程应该挂起等待
                ptp->threadWait();
            }
            // 将任务从公共区域拿到线程自己的独立栈中
            T task = ptp->pop();
            ptp->QueueUnlock();

            // 在临界区外运行任务，提高性能！

            // 下面两行代码是为了测试用的
            task();
            std::cout << task.formatRet() << std::endl;
        }
        return nullptr;
    }
    
    ~ThreadPool()
    {
        pthread_mutex_destroy(&_tasks_mtx);
        pthread_cond_destroy(&_cond);
    }
private:
    void threadWait()
    {
        pthread_cond_wait(&_cond, &_tasks_mtx);
    }

    T pop()
    {
        T task = _tasks.front();
        _tasks.pop();
        return task;
    }
    
    void QueueLock()
    {
        pthread_mutex_lock(&_tasks_mtx);
    }
    
    void QueueUnlock()
    {
        pthread_mutex_unlock(&_tasks_mtx);
    }
private:
    int _cap;                            // 线程的数量
    std::vector<pthread_t> _threads;     // 存储线程的容器
    std::queue<T> _tasks;                // 任务队列
    pthread_mutex_t _tasks_mtx;          // 任务队列的锁
    pthread_cond_t _cond;                // 线程的等待条件变量
};

为了测试我们的代码我们设计了下面的计算任务，输入两个数和一个操作符，计算其结果。

#include 
#include 
#include 

class Task
{
public:
    Task()
        :_x(0), _y(0), _op('+'), _result(0), _exitcode(0)
    {}
    
    Task(int x, int y, char op)
        :_x(x), _y(y), _op(op), _result(0), _exitcode(0)
    {}
    // 进行计算
    std::string operator()()
    {
        switch (_op)
        {
        case '+':
            _result = _x + _y;
            break;
        case '-':
            _result = _x - _y;
            break;
        case '*':
            _result = _x * _y;
            break;
        case '/':
            if (_y != 0)
            {
                _result = _x / _y;
            }
            else
            {
                _exitcode = -1;
            }
            break;
        case '%':
            if (_y != 0)
            {
                _result = _x % _y;
            }
            else
            {
                _exitcode = -2;
            }
            break;
        default:
            break;
        }
        return std::to_string(_result);
    }
    // 格式化表达式
    std::string formatArg()
    {
        return std::to_string(_x) + _op + std::to_string(_y) + '=';
    }
    // 格式化输出结果
    std::string formatRet()
    {
        return std::to_string(_result) + '(' + std::to_string(_exitcode) + ')';
    }

private:
    int _x;             // 左操作数
    int _y;             // 右操作数
    char _op;           // 操作符
    int _result;        // 结果
    int _exitcode;      // 退出码
};

主线程逻辑：生成大量随机数，形成计算任务，让线程去执行。

#include 
#include 
#include "ThreadPool_V1.hpp"
#include "Task.hpp"
using namespace std;

int main()
{
    ThreadPool<Task> tp;
    tp.start();
    int x, y;
    char op;
    const char* ops = "+-*/%";
    while (true)
    {
        x = rand() % 100;
        y = rand() % 10;
        op = ops[rand() % 5];
        Task t(x, y, op);
        cout << t.formatArg() << endl;
        tp.push(t);
        // 休眠1s
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

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。

此后我们如果想让线程池处理其他不同的任务请求时，我们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。