【Linux】线程池项目详解

回避、躲闪、辗转腾挪都毫无作用，
既然来的总是要来，
迎着刀锋而上恐怕是最好的选择，
起码节约时间。
--- 廖一梅 《像我这样笨拙地生活》---

线程池项目

1 线程基础

线程我们已经学习的差不多了，从线程的概念：

线程的概念我们先从虚拟内存和物理内存之间的页表开始谈起

• 虚拟内存和物理内存的映射是通过一个二维数组进行的映射，每个元素指向物理内存的 4KB内存块。在通过虚拟地址的后12位来进行4096字节的对应！
• 类型 + 起始地址就能从内存中找到对应的数据！

了解的虚拟内存和物理内存，我们就能知道虚拟内存本质是一种资源可以进行分配。
线程：在进程内部运行，是CPU调度的基本单位。
Linux中是直接套用的进程模块，实现的一种轻量级进程，与主线程共享地址空间！调用成本比多进程低很多！！！

• 线程 = 线程库里的属性集 + LWP(轻量级进程)
• 线程的本质是代码块！只使用函数的对应代码，即拿页表的一部分来执行！！！

对于线程创建的接口我们也足够熟悉了！不再赘述

线程的管理是在共享区完成的，编译时，动态链接线程库，映射在地址空间的共享区中。在这个共享区中储存着线程的属性内存块（包含线程单独的栈结构），通过tid我们可以找到线程的所有属性。每个线程都对应一个LWP的pid，这是系统层线程调度的单位！

需要特别注意的是线程互斥的场景，在多线程的场景下，对于全局资源的处理有且只能用一个线程进行操作，否则就会出现意想不到的后果！对于多线程的场景使用互斥锁来对全局资源进行保护，可以通过RAII规则的锁守卫完成只能加减锁！

2 什么是线程池

池化技术是一种广泛应用于系统开发中的优化策略，旨在通过复用资源来提高性能和效率。池化技术的核心思想是预先分配一组资源，并在需要时进行复用，而不是每次都重新创建和销毁资源。

池化技术（Pooling）涉及创建和管理一组预先分配的资源，这些资源可以是进程、线程、数据库连接或对象实例。在池化系统中，当请求到达时，它会从池中获取一个空闲资源，使用完毕后将其归还池中。这种方法避免了频繁的创建和销毁操作，从而显著减少了系统开销。

之前我们实现过进程池：
进程池就是通过预先创建若干个进程与管道，在需要进行任务时，选择一个进程，通过管道发送信息，让其完成工作。不同的进程因为不能共享地址空间，所以想要协同工作就需要进行进程间通信，这里使用管道来实现进程
间的通信。而对于线程池来说，多线程之间是共享地址空间的，所以不需要进行额外的通信，直接调用线程来执行任务就可以！

线程池完成的工作就是在程序运行时，自动创建出若干个线程等待主线程发送任务进行执行，这样不再需要每次再创建线程来完成一个任务，只需要向任务队列中压入任务，线程池就会自动唤醒一个线程来执行任务，执行完就会继续等待任务的到来！

线程池的应用场景：

• 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。
• 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

3 线程池工作原理

线程池的关键部分可以分为:

1. 线程容器：用来管理创建的线程，方便统一初始化。
2. 任务队列：用来储存任务消息，需要支持压入与取出的操作。
3. 线程函数：线程都需要执行这个函数模块，在这个函数模块中进行任务的等待和执行。
4. 线程唤醒机制：需要一个线程换取机制，通过条件变量个互斥锁完成对线程的保护与唤醒。
5. 单例模式：线程池不需要创建多个，一个程序只需要一个线程池，通过单例模式进行优化。

这样，通过主线程对线程池中进行的入队列操作就可以传入任务，然后线程池中会自动检测队列中是否有任务，有任务就调用休眠的线程来执行任务。

4 构建线程池

4.1 框架搭建

首先针对线程池的关键组件进行一个框架的构建：

线程池的成员变量：

• 线程计数 int _thread_num
• 内部容器 vector _threads
• 任务队列 queue _tast_queue 这个任务队列会被多线程访问时临界资源！需要所保护
• 运行判断 bool _isrunning; 判断是否结束
• 互斥锁 pthread_mutex_t _mtx
• 条件变量 pthread_cond_t _cond 条件不满足(任务队列无任务)时线程阻塞
• 休眠线程计数器：_sleep_num 用来判断是否需要唤醒阻塞的线程(判断方法自定义)

为了使用线程方便，我们直接使用之前实现的线程类!

然后我们还需要一下功能函数来支持主线程传入任务，主线程停止工作，线程池读取任务，线程池删除旧任务：

功能函数：

• 初始化Init：构建线程，并储存在容器中。线程进入线程等待函数 void work()
• 开始运行Start：遍历进入线程运行 ， _isrunning = true
• 停止运行Stop: _isrunning = false! 一切的功能只有true时才可以运行
• 加入任务Equeue:对临界资源进行操作，先上锁，在插入数据，插入之后可以唤醒休眠的线程来执行任务，如果没有就不需要处理，只有运行状态才可以进行插入！

为了方便进行加减锁的操作，我们可以完成一些线程池内部函数：

内部函数

• 加锁 LockQueue()
• 解锁 UnlockQueue()
• 唤醒线程 WakeUp() : 通过条件变量来唤醒一个线程 — WakeUpAll：唤醒全部
• 队列是否为空 IsEmpty()
• 线程休眠 Sleep() 等待条件变量响应
• 线程任务 HandlerTask（）: 启动时所有线程都来执行该函数，有任务就执行任务，没有就阻塞等待，需要注意的是，该函数时成员函数，存在隐藏参数this,不满足条件，可以使用bind绑定来解决，有任务就执行任务

主要框架

#pragmaonce#include"Thread.hpp"#include<vector>#include<queue>#include<string>#include"Log.hpp"usingnamespace ThreadMouble;usingnamespace log_ns;constint default_num =5;// 测试代码voidtest(){
    std::cout <<"这是一个测试程序！"<< std::endl;}template<classT>classThreadPool{private:// 加锁 解锁voidLockQueue(){pthread_mutex_lock(&_mtx);}voidUnlockQueue(){pthread_mutex_unlock(&_mtx);}// 休眠等待voidSleep(){pthread_cond_wait(&_cond,&_mtx);}// 唤醒一个线程voidWakeUp(){pthread_cond_signal(&_cond);}// 全部唤醒voidWakeUpAll(){pthread_cond_broadcast(&_cond);}// 队列为空boolIsEmpty(){return _tasks.empty();}voidHandlerTask(std::string &name){}public:ThreadPool(int num = default_num):_thread_num(num),_sleep_num(0),_isrunning(false){pthread_mutex_init(&_mtx,nullptr);pthread_cond_init(&_cond,nullptr);}public:static ThreadPool<T>*GetInstance(){}// 初始化voidInit(){}// 开始运行voidStart(){}// 停止运行voidStop(){}// 加入任务voidEqueue(T &in){}~ThreadPool(){pthread_mutex_destroy(&_mtx);pthread_cond_destroy(&_cond);}private:// 线程容器
    std::vector<Thread> _threads;// 任务队列
    std::queue<T> _tasks;// 线程数量int _thread_num;// 休眠数量int _sleep_num;// 运行判断bool _isrunning;// 加锁保护队列
    pthread_mutex_t _mtx;// 条件变量
    pthread_cond_t _cond;};

4.3 HandlerTask函数

我们首先先来完成每个线程创建的新线程都会进行的函数：

1. 首先这个函数需要不断的执行，所以使用while(true)使其不断地轮询
2. 然后就是对队列任务的读取，如果队列为空并且线程池还在运行，那么就进入进行等待条件变量唤醒，需要注意的是休眠数需要进行处理
3. 如果队列为空了，并且停止运行了，就直接退出!退出前进行解锁！
4. 如果队列不为空，并且还在运行，那么就从队列中取出一个任务进行执行！

voidHandlerTask(std::string &name){// 运行任务while(true){LockQueue();// 队列为空并且正在运行while(IsEmpty()&& _isrunning){// 进行阻塞
                _sleep_num++;LOG(INFO,"%s sleep begin!\n", name.c_str());Sleep();LOG(INFO,"%s wakeup!\n", name.c_str());
                _sleep_num--;}// 如果队列为空 停止运行了if(IsEmpty()&&!_isrunning){// 直接解锁退出UnlockQueue();// std::cout << name << " stop 退出！" << std::endl;LOG(INFO,"%s quit !\n", name.c_str());break;}// 取出一个任务
            T t = _tasks.front();
            _tasks.pop();// 解锁UnlockQueue();// 临界区之外执行任务 t();// std::cout << name << " " << t.result() << std::endl;LOG(DEBUG,"HandlerTask Done, task is : %s\n", t.result().c_str());}}

完成！

4.3 基础函数

我们先来实现初始化init ， 开始运行 start ，停止运行stop，加入任务

1. 初始化：首先就是创建若干个线程，再将创建的线程存入线程容器中。// 初始化voidInit(){// 进行绑定 func_t func = std::bind(&ThreadPool::HandlerTask,this, std::placeholders::_1);for(int i =0; i < _thread_num; i++){ std::string name ="thread-"+ std::to_string(i +1);// std::cout << name << " init!" << std::endl;//_threads.emplace_back(name, test); //测试 _threads.emplace_back(name, func);LOG(DEBUG,"construct thread : %s done , init success\n", name.c_str());}}
2. 开始运行：直接遍历一遍进行开始运行即可！每个线程都来执行HandlerTask``````// 开始运行voidStart(){ _isrunning =true;for(auto&e : _threads){// std::cout << e.getname() << " start!" << std::endl;LOG(DEBUG,"start thread %s done\n", e.Name().c_str()); e.Start();}
3. 停止运行：唤醒所有休眠的线程，并将判断符设置为false// 停止运行voidStop(){LockQueue();// std::cout << "void stop()" << std::endl;WakeUpAll(); _isrunning =false;UnlockQueue();LOG(INFO,"ThreadPool Stop success\n");}
4. 加入任务： 这里会对全局变量进行操作，所以先上锁。在线程池还在运行时才可以进程任务的插入，插入后，如果有休眠的线程就唤醒一个休眠的线程来执行任务！// 加入任务voidEqueue(T &in){// 临界区操作需要加锁LockQueue();// 只有线程池运行才可以进行插入if(_isrunning){ _tasks.push(in);// std::cout << "加入任务 : " << in.debug() << std::endl;LOG(INFO,"push task : %s\n", in.debug().c_str());// 唤醒一个线程if(_sleep_num >0)WakeUp();}UnlockQueue();}

4.4 单例模式改造

单例模式之前的文章有介绍过：设计模式 — 单例模式

单例模式：一个类只能创建一个对象，即单例模式，该模式可以保证系统中该类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点，该实例被所有程序模块共享。

接下来我们通过懒汉模式进行优化：

1. 首先我们要做的就是将构造函数私有化，让类外部不能够创建对象，并且封锁赋值重载和拷贝构造！
2. 然后类内需要一个静态类对象指针，并且使用单独一个全局锁进行保护
3. 完成一个获取唯一类对象指针的函数方法getinstance

static ThreadPool<T>*GetInstance(){if(_tp ==nullptr){
            LockGuard lock(&_sig_mtx);if(_tp ==nullptr){LOG(INFO,"create threadpool\n");// thread-1 thread-2 thread-3....
                _tp =newThreadPool();
                _tp->Init();
                _tp->Start();}else{LOG(INFO,"get threadpool\n");}}return _tp;}

// 单例模式template<classT>classThreadPool{//...static ThreadPool<T>*_tp;static pthread_mutex_t _sig_mtx;//...};//类外初始化template<classT>
ThreadPool<T>*ThreadPool<T>::_tp =nullptr;template<classT>
pthread_mutex_t ThreadPool<T>::_sig_mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

这样单例模式就完成了！

4.5 测试运行

#include"ThreadPool.hpp"#include<iostream>#include"Task.hpp"#include<stdlib.h>#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include"Log.hpp"intmain(){srand(time(nullptr)^getpid());// ThreadPool<Task> *tp = new ThreadPool<Task>();// tp->Init();// tp->Start();
    ThreadPool<Task>*tp =ThreadPool<Task>::GetInstance();int cnt =5;while(--cnt){int num1 =rand()%10;usleep(1000);int num2 =rand()%10;
        Task t(num1, num2);
        tp->Equeue(t);LOG(INFO ,"Equeue a task , %s\n", t.debug().c_str());sleep(1);}
    tp->Stop();LOG(INFO ,"ThreadPool stop! \n");return0;}

我们来进行测试：

很好的完成测试代码！！！

5 总结

线程的学习就告一段落，接下来我将会完成一个高并发内存池项目，来巩固C++的知识，并为简历增添一笔重要颜色！完成项目之后开启全新篇章 — 计算机网络，欢迎大家支持！！！

接下来还会持续更新算法相关内容，欢迎大家支持！！！