【Linux】线程池设计/单例模式/STL、智能指针与线程安全/读者写者问题

文章目录

  • 一、线程池
  • 二、线程安全的单例模式
    • 1.单例模式的特点
    • 2.饿汉实现方式和懒汉实现方式
    • 3.懒汉方式实现单例模式(线程安全版本)
  • 三、STL,智能指针和线程安全
  • 四、常见的各种锁
  • 五、读者写者问题
    • 1.读写锁
    • 2.读写锁接口

一、线程池

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。这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。可用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。

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。

3.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.

线程池的种类:

线程池示例:

1.创建固定数量线程池,循环从任务队列中获取任务对象,

2.获取到任务对象后,执行任务对象中的任务接口

Thread.hpp

以下是自己封装实现的线程

#pragma once

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

namespace ThreadNs
{
    typedef std::function<void *(void *)> func_t;
    const int num = 1024;
    class Thread
    {
    private:
        static void *start_routine(void *args)
        {
            Thread *td = static_cast<Thread *>(args);
            return td->callback();
        }

    public:
        Thread()
        {
            char buffer[num];
            snprintf(buffer, sizeof buffer, "thread-%d", threadnum++);
            _name = buffer;
        }

        void start(func_t func, void *args)
        {
            _func = func;
            _args = args;
            int n = pthread_create(&_tid, nullptr, start_routine, this);
        }

        void join()
        {
            int n = pthread_join(_tid, nullptr);
            assert(n == 0);
            (void)n;
        }

        std::string threadname()
        {
            return _name;
        }
        void *callback()
        {
            return _func(_args);
        }
        ~Thread()
        {
        }

    private:
        std::string _name;
        void *_args;
        func_t _func;
        pthread_t _tid;

        static int threadnum;
    };

    int Thread::threadnum = 1;
}

LockGuard.hpp

以下是自己封装实现的RAII风格的锁

#pragma once

#include 
#include 

class Mutex
{
public:
    Mutex(pthread_mutex_t *lock_p = nullptr)
        : _lock_p(lock_p)
    {
    }

    void lock()
    {
        if (_lock_p)
        {
            int n = pthread_mutex_lock(_lock_p);
            assert(n == 0);
            (void)n;
        }
    }

    void unlock()
    {
        if (_lock_p)
        {
            int n = pthread_mutex_unlock(_lock_p);
            assert(n == 0);
            (void)n;
        }
    }

    ~Mutex()
    {
    }

private:
    pthread_mutex_t *_lock_p;
};

class LockGuard
{
public:
    LockGuard(pthread_mutex_t *mutex) : _mutex(mutex)
    {
        _mutex.lock();
    }

    ~LockGuard()
    {
        _mutex.unlock();
    }

private:
    Mutex _mutex;
};

Task.hpp

以下代码是用于任务的处理

#pragma once

#include 
#include 
#include 

class Task
{
public:
    typedef std::function<int(int, int, char)> func_t;
    // using func_t = std::function;

public:
    Task()
    {
    }
    Task(int x, int y, char op, func_t func)
        : _x(x), _y(y), _op(op), _callback(func)
    {
    }

    std::string operator()()
    {
        int result = _callback(_x, _y, _op);
        char buffer[1024];
        snprintf(buffer, sizeof buffer, "%d %c %d = %d", _x, _op, _y, result);
        return buffer;
    }

    std::string toTaskString()
    {
        char buffer[1024];
        snprintf(buffer, sizeof buffer, "%d %c %d = ?", _x, _op, _y);
        return buffer;
    }

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

const std::string oper = "+-*/%";

int calculate(int x, int y, char op)
{
    int result = 0;
    switch (op)
    {
    case '+':
        result = x + y;
        break;
    case '-':
        result = x - y;
        break;
    case '*':
        result = x * y;
        break;
    case '/':
    {
        if (y == 0)
        {
            std::cerr << "div zero error" << std::endl;
            return -1;
        }
        else
            result = x / y;
    }
    break;
    case '%':
    {
        if (y == 0)
        {
            std::cerr << "mod zero error" << std::endl;
            return -1;
        }
        else
            result = x % y;
    }
    break;
    default:
        std::cerr << "请输入正确的操作符" << std::endl;
        break;
    }

    return result;
}

ThreadPool.hpp

#pragma once

#include "Thread.hpp"
#include "LockGuard.hpp"

using namespace ThreadNs;

#include 
#include 
#include 

const int gnum = 3;

template <class T>
class ThreadPool;

template <class T>
class ThreadData
{
public:
    ThreadData(ThreadPool<T> *tp, const std::string &threadname)
        : _threadpool(tp), _threadname(threadname)
    {}

    ~ThreadData()
    {}

public:
    ThreadPool<T> *_threadpool;
    std::string _threadname;
};

template <class T>
class ThreadPool
{
private:
    static void* handleTask(void* args)
    {
        ThreadData<T>* td = static_cast<ThreadData<T>*>(args);
        while(true)
        {
            T t;
            {
                LockGuard lockguard(td->_threadpool->mutex());
                while(td->_threadpool->isQueueEmpty())
                {
                    td->_threadpool->threadWait();
                }
                t = td->_threadpool->pop();
            }
            std::cout << td->_threadname << " 获取了一个任务: " << t.toTaskString() << " 并处理完成,结果是:" << t() << std::endl;
        }

        delete td;
        return nullptr;
    }
public:
    bool isQueueEmpty() {return _task_queue.empty(); }
    void threadWait() { pthread_cond_wait(&_cond,&_mutex); }
    void lockQueue() {pthread_mutex_lock(&_mutex); }
    void unlockQueue() {pthread_mutex_unlock(&_mutex); }

    T pop()
    {
        T t = _task_queue.front();
        _task_queue.pop();
        return t;
    }
    pthread_mutex_t* mutex() { return &_mutex; }
public:
    ThreadPool(const int &num = gnum)
        : _num(num)
    {
        pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);
        pthread_cond_init(&_cond, nullptr);
        for (int i = 0; i < _num; i++)
        {
            _threads.push_back(new Thread());
        }
    }

public:
    void run()
    {
        for (const auto &iter : _threads)
        {
            ThreadData<T> *td = new ThreadData<T>(this, iter->threadname());
            iter->start(handleTask, td);
            std::cout << iter->threadname() << " start..." << std::endl;
        }
    }

    void push(T& in)
    {
        LockGuard lockguard(&_mutex);
        _task_queue.push(in);
        pthread_cond_signal(&_cond);
    }

    ~ThreadPool()
    {
        pthread_mutex_destroy(&_mutex);
        pthread_cond_destroy(&_cond);
        for (const auto &t : _threads)
        {
            delete t;
        }
    }

private:
    int _num;
    std::vector<Thread *> _threads;
    std::queue<T> _task_queue;
    pthread_mutex_t _mutex;
    pthread_cond_t _cond;
};

main.cc

#include "Task.hpp"
#include "ThreadPool.hpp"

#include 
#include 

int main()
{
    std::unique_ptr<ThreadPool<Task>> tp(new ThreadPool<Task>());
    tp->run();

    int x, y;
    char op;
    while (1)
    {
        std::cout << "请输入数据1# ";
        std::cin >> x;
        std::cout << "请输入数据2# ";
        std::cin >> y;
        std::cout << "请输入你要进行的运算#";
        std::cin >> op;
        Task t(x, y, op, calculate);

        tp->push(t);

        sleep(1);
    }

    return 0;
}

二、线程安全的单例模式

IT行业这么火, 涌入的人很多. 俗话说林子大了啥鸟都有. 大佬和菜鸡们两极分化的越来越严重. 为了让菜鸡们不太拖大佬的后腿, 于是大佬们针对一些经典的常见的场景, 给定了一些对应的解决方案, 这个就是 设计模式

1.单例模式的特点

某些类, 只应该具有一个对象(实例), 就称之为单例.例如一个男人只能有一个媳妇.

在很多服务器开发场景中, 经常需要让服务器加载很多的数据 (上百G) 到内存中. 此时往往要用一个单例的类来管理这些数据

2.饿汉实现方式和懒汉实现方式

我们以洗碗的例子来说明懒汉模式和饿汉模式:

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。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”. 从而能够优化服务器的启动速度

饿汉方式实现单例模式

template <class T>
class Singleton
{
	static T data;
public:
	static T* GetInstance() 
	{
		return &data;
	}
};

只要通过 Singleton 这个包装类来使用 T 对象, 则一个进程中只有一个 T 对象的实例

懒汉方式实现单例模式

template <class T>
class Singleton
{
	static T* inst;
public:
	static T* GetInstance()
    {
		if (inst == NULL) {
		inst = new T();
	}
	return inst;
}
};

存在一个严重的问题, 线程不安全。第一次调用 GetInstance 的时候, 如果两个线程同时调用, 可能会创建出两份 T 对象的实例,但是后续再次调用, 就没有问题了

3.懒汉方式实现单例模式(线程安全版本)

// 懒汉模式, 线程安全
template <class T>
class Singleton
{
	volatile static T* inst; // 需要设置 volatile 关键字, 否则可能被编译器优化.
	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;
	}
};

注意事项:

1.加锁解锁的位置

2.双重 if 判定, 避免不必要的锁竞争

3.volatile关键字防止过度优化

三、STL,智能指针和线程安全

STL中的容器是否是线程安全的?

不是。原因是, STL 的设计初衷是将性能挖掘到极致, 而一旦涉及到加锁保证线程安全, 会对性能造成巨大的影响.

而且对于不同的容器, 加锁方式的不同, 性能可能也不同(例如hash表的锁表和锁桶).因此 STL 默认不是线程安全. 如果需要在多线程环境下使用, 往往需要调用者自行保证线程安全。

智能指针是否是线程安全的?

对于 unique_ptr, 由于只是在当前代码块范围内生效, 因此不涉及线程安全问题.

对于 shared_ptr, 多个对象需要共用一个引用计数变量, 所以会存在线程安全问题. 但是标准库实现的时候考虑到了这个问题, 基于原子操作(CAS)的方式保证 shared_ptr 能够高效, 原子的操作引用计数.

四、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。

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。主要采用两种方式:版本号机制和CAS操作。

CAS操作:当需要更新数据时,判断当前内存值和之前取得的值是否相等。如果相等则用新值更新。若不等则失败,失败则重试,一般是一个自旋的过程,即不断重试。

自旋锁,公平锁,非公平锁。

五、读者写者问题

1.读写锁

在编写多线程的时候,有一种情况是十分常见的。那就是,有些公共数据修改的机会比较少。相比较改写,它们读的机会反而高的多。通常而言,在读的过程中,往往伴随着查找的操作,中间耗时很长。给这种代码段加锁,会极大地降低我们程序的效率。那么有没有一种方法,可以专门处理这种多读少写的情况呢? 有,那就是读写锁。

2.读写锁接口

设置读写优先

int pthread_rwlockattr_setkind_np(pthread_rwlockattr_t *attr, int pref);
pref 共有 3 种选择
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_READER_NP (默认设置) 读者优先,可能会导致写者饥饿情况
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NP 写者优先,目前有 BUG,导致表现行为和
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_READER_NP 一致
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NONRECURSIVE_NP 写者优先,但写者不能递归加锁

初始化

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const pthread_rwlockattr_t
*restrict attr);

销毁

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

加锁和解锁

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

对于读者写者问题,我们了解一下即可,做实现的现象并不明显,理解其原理即可。

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