Linux:线程池

Linux:线程池

    • 线程池概念
    • 封装线程
      • 基本结构
      • 构造函数
      • 相关接口
      • 线程类总代码
    • 封装线程池
      • 基本结构
      • 构造与析构
      • 初始化
      • 启动与回收
      • 主线程放任务
      • 其他线程读取任务
      • 终止线程池
      • 测试
      • 线程池总代码


线程池概念

线程池是一种线程使用模式。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。

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,线程池的优点就不明显了
  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,但是短时间内产生大量线程可能使内存到达极限,出现错误

接下来本博客就在Linux上实现一个线程池。


封装线程

线程池本质是把多个线程组织起来,然后统一使用这些线程,给它们派发任务,每个线程拿到任务后各自执行。

基本结构

既然要将线程组织起来,我们就要先用一个类来描述一个线程,比如线程的TID,线程的名字等等。

首先定义一个类Thread,其包含以下成员:

template <typename T>
using func_t = std::function<void(T&)>;template <typename T>
class Thread
{
public:
private:pthread_t _tid;          // 线程TIDstd::string _threadName; // 线程名func_t<T> _func;         // 线程执行的函数T _data;                 // 执行函数要传入的参数
};

第一个成员_tid,就是该线程的TID,第二个参数_threadName就是线程的名字。

创建线程的目的,是为了让线程去执行函数,那么当然要有一个成员来记录这个线程执行什么函数。此处第三个成员_func就是被线程执行的函数,其类型为func_t<T>

template <typename T>
using func_t = std::function<void(T&)>;

也即是说func_t<T>类型,是一个void (T&)类型的函数,返回值为空,可以传入一个T类型的参数。而线程的最后一个成员_data就是被传入的参数。

当用户使用这个线程类时,需要给出线程要执行的函数该函数的参数,另外的还要线程的名字


构造函数

弄清需求后,我们就可以很好写出该线程的构造函数了:

Thread(func_t<T> func, const T& data, std::string threadName = "none"): _func(func), _data(data), _threadName(threadName)
{}

构造函数有三个参数,第一个func用于初始化线程调用的函数,第二个data用于初始化要给函数传入的参数,第三个用于指定线程的名字,默认值为none


相关接口

那么我们的线程类又要提供哪些接口?

目前为止我们还没有真正创建一个线程,而是通过类成员保存了线程的相关信息,那么我们就要通过这些线程的相关信息,来创建线程了。

第一个问题便是:函数pthread_create用于创建线程,要指定一个void* (*)(void*)类型的函数指针,但是初始化线程是,用户传入的函数是void (T&)类型,这要咋办?

很简单:先调用一个void* (void*)类型的中间函数threadEntrypthread_create先传入该函数,随后线程就会去执行threadEntry,再在threadEntry内部调用用户指定的函数并传入数据:_func(_data)

我先写一个版本:

template <typename T>
class Thread
{
public:void* threadEntry(void* args){_func(_data);return nullptr;}bool start(){int ret = pthread_create(&_tid, nullptr, threadEntry, nullptr);return ret == 0;}
};

start函数中,通过pthread_create创建了线程,线程的TID交给类成员_tid,随后线程去调用threadEntry,在threadEntry内部调用_func(_data),即调用用户传入的函数。

这可行吗?我尝试编译一下:

在这里插入图片描述

编译报错了,报错为:invalid use of non-static member function,简单来说就是:错误的调用了非静态成员函数。

为什么呢?不妨再仔细想想threadEntry的类型真的是void* (*)(void*)吗?该函数处于类的内部,属于非静态成员函数,第一个参数为this指针,因此我们要把这个函数用static修饰,让其变为静态成员函数,此时它的类型才是void* (*)(void*)

static void* threadEntry(void* args)
{_func(_data);return nullptr;
}

现在问题又来了,由于没有this指针,该函数是得不到_func_data这两个成员的,这该怎么办?

别忘了,pthread_create是可以给函数传参的,我们只需要把this指针作为threadEntry的参数传入,随后通过this指针访问_func_data

template <typename T>
class Thread
{
public:static void* threadEntry(void* args){Thread* self = static_cast<Thread*>(args);self->_func(self->_data);return nullptr;}bool start(){int ret = pthread_create(&_tid, nullptr, threadEntry, this);return ret == 0;}
};

pthread_create中,第四个参数传入this,那么函数threadEntry的第一个参数args就是this指针了,通过 static_cast<Thread*>(args)将其转化为Thread*类型,赋值给self变量。此时self->_func(self->_data);就可以调用函数了。

最后再支持一下datach线程分离,join线程等待:

void deatch()
{pthread_detach(_tid);
}void join()
{pthread_join(_tid, nullptr);
}

现在我们封装好了一个线程类

实验一下这个线程类是否有效:

void test(int args)
{while(true){cout << args << endl;sleep(1);}
}int main()
{Thread<int> t(test, 2024, "thread-1");t.start();t.join();return 0;
}

main函数中,Thread<int> t(test, 5, "thread-1")定义了一个线程对象,执行的函数为test,给test传入的参数为2024,线程名为thread-1

如果创建成功,那么线程就会去执行test函数,并且循环输出2024

输出结果:

在这里插入图片描述

输出正确,说明我们的线程类没有问题。


线程类总代码

我把这个Thread类放进头文件thread.hpp中,方便后续使用。

thread.hpp代码如下:

#pragma once#include <iostream>
#include <functional>#include <unistd.h>
#include <pthread.h>template <typename T>
using func_t = std::function<void(T&)>;template <typename T>
class Thread
{
public:Thread(func_t<T> func, const T& data, std::string threadName = "none"): _func(func), _data(data), _threadName(threadName){}static void* threadEntry(void* args){Thread* self = static_cast<Thread*>(args);self->_func(self->_data);return nullptr;}bool start(){int ret = pthread_create(&_tid, nullptr, threadEntry, this);return ret == 0;}void deatch(){pthread_detach(_tid);}void join(){pthread_join(_tid, nullptr);}private:pthread_t _tid;          // 线程TIDstd::string _threadName; // 线程名func_t<T> _func;         // 线程执行的函数T _data;                 // 执行函数要传入的参数
};

封装线程池

现在我们通过类Thread描述了一个线程,那么就可以用线程池来组织这些线程了。

当前目录结构如下:

在这里插入图片描述

内部有三个文件,第一个文件是主程序main.cpp,以及两个自己的头文件,Thread.hpp是刚刚封装的线程类,我们将在ThreadPool.hpp内部实现线程池。

基本结构

线程池的运行模式如下:

线程池内部维护多个线程和一个任务队列,主线程往任务队列中放任务,线程池内部的线程则执行任务队列中的任务。

那么毫无疑问的就是:线程池内部至少要有一个数组管理多个线程,以及一个队列来放任务!

线程池threadPool内部的成员如下:

template <typename T>
class threadPool
{
private:int _threadNum;  // 线程总数int _waitNum;    // 正在等待任务的线程数目bool _isRunning; // 当前线程池是否运行std::vector<Thread<std::string>> _threads; // 用数组管理多个线程std::queue<T> _taskQueue;                  // 任务队列
};

threadPool中,有两个成员:数组_threads,任务队列_task_queue

我们先前封装的Thread中,模板参数T用于给线程执行的函数指定参数类型。在此我固定其为string类型,后续线程执行函数时,该参数用于传入线程的名字。

另外的,我还额外指定了三个成员:

  • _threadNum:标识当前线程池的线程总数
  • _waitNum:当前有几个线程在等待任务
  • _isRunning:用于终止线程池

这三个成员都是对线程池本身的描述。

但是我们目前忽略了一个问题,也是多线程编程最重要的问题:线程的互斥与同步

我们的任务是:主线程往队列放任务,其它线程从队列拿任务。那么就要考虑以下几个问题:

  1. 多个线程可以同时拿任务吗?不能,任务队列是临界资源,线程与线程之间要互斥
  2. 可以主线程放任务时,其他线程拿任务吗?不能,主线程与执行任务的线程也要互斥

由于它们都在竞争任务队列这一个资源,我们只要用一把互斥锁即可完成以上的所有互斥。主线程和执行任务的线程都去争夺一把锁,争到锁的线程才可以访问任务队列。

接下来就是同步问题:

毫无疑问的是:只有任务队列里面有任务时,线程才能去任务队列中拿任务。因此要主线程先放任务,其他线程后拿任务,这就要一个条件变量来维护

因此我们还要两个成员:

template <typename T>
class threadPool
{
private:int _threadNum;  // 线程总数int _waitNum;    // 正在等待任务的线程数目bool _isRunning; // 当前线程池是否运行std::vector<Thread<std::string>> _threads; // 用数组管理多个线程std::queue<T> _taskQueue;                  // 任务队列pthread_mutex_t _mutex; // 互斥锁,维护任务队列pthread_cond_t _cond;   // 条件变量,保证主线程与其他线程之间的同步
};

构造与析构

接下来先写线程池的构造函数和析构函数,在构造函数内部要完成的自然就包括:_mutex的初始化,_cond的初始化。而析构函数的任务自然是销毁它们。

template <typename T>
class threadPool
{
public:threadPool(int threadNum = 5): _threadNum(threadNum), _waitNum(0), _isRunning(false){pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);pthread_cond_init(&_cond, nullptr);}~threadPool(){pthread_mutex_destroy(&_mutex);pthread_cond_destroy(&_cond);}
};

用户创建线程池的时候,只要输入一个数字,表名该线程池内部要有几个线程即可。一开始_isRunningfalse,表示线程还没有开始运行。

构造函数只是创建了锁,条件变量,以及各个线程内部的基本信息而已,此时数组_threads,还没有任何元素。也就是说我们目前连线程对象都没创建出来。


初始化

我们在此用一个init函数来初始化线程,创建出线程对象,创建Thread对象时,要传入三个参数:

Thread(func_t<T> func, const T& data, std::string threadName = "none")

这是我们刚刚写的Thread构造函数,第一个参数传线程要调用的函数,第二个参数传func的第一个参数,第三个参数传线程名。

在此我们让线程去执行一个叫做handlerTask的函数,这个函数内部实现线程的到任务队列拿任务的过程。

handlerTask的第一个参数也是线程的名字,以便在handlerTask内部识别是哪一个线程执行了任务。

如下:

template <typename T>
class threadPool
{
public:void handlerTask(std::string){//执行任务队列的任务}void init(){for (int i = 1; i <= _threadNum; i++){std::string name = "Thread-" + std::to_string(i);_threads.emplace_back(handlerTask, name, name);}_isRunning = true;}
};

init中,一个for循环创建_threadNum个线程,第i号线程的名字是Thread-i

数组尾插时,(handlerTask, name, name)三个参数,分别是:线程要执行的函数线程名线程名。我们在此传入了两个线程名,但是作用不一样。一个是handlerTask的参数,一个是Thread内部的成员。

所以线程构建完毕后,_isRunning = true,表示线程开始运作了。

但是以上代码还是犯了一个相同的错误,Thread的函数类型要求是void (T&),我们限制了T = string,那就是void (string&)。但是handlerTask是非静态成员函数,所以要加static

在此我用C++中的包装器bind来实现:

void init()
{auto func = bind(&threadPool::handlerTask, this, std::placeholders::_1);for (int i = 1; i <= _threadNum; i++){std::string name = "Thread - " + std::to_string(i);_threads.emplace_back(func, name, name);}_isRunning = true;
}

通过包装器,我把handlerTask的第一个参数绑定为了this,使得类型变为function<void(string&)>,从而符合Thread的构造函数。可以理解为,此时变量func就是函数handlerTask,不过类型变为了function<void(string&)>,原先的第一个参数固定为this指针。

这个handlerTask函数我们稍后实现。


启动与回收

到目前为止,我们已经创建好了一批线程,并且指定了指向handlerTask函数,但是限制线程还没有被启动。当时我们封装线程类时,给Therad一个start来启动线程。此处的线程池也要一个allStart来调用所有线程start。另外的,也要一个allJoin来调用所有的join,回收线程。

代码:

template <typename T>
class threadPool
{
public:void allStart(){for (auto& th : _threads)th.start();}void allJoin(){for (auto& th : _threads)th.join();}
};

主线程放任务

现在先写一个enQueue接口,让主线程往任务队列中投放任务。

投放任务的要求是:

  1. 访问队列要与其他线程互斥,即对_mutex加锁
  2. 添加任务后,此时一个线程就可以去访问任务队列了,也就是线程同步

代码:

template <typename T>
class threadPool
{
public:void enQueue(const T& task){pthread_mutex_lock(&_mutex);if (_isRunning){_taskQueue.push(task);if (_waitNum > 0)pthread_cond_signal(&_cond);}pthread_mutex_unlock(&_mutex);}
};

函数的参数为const T& task,即我们的任务类型是T,这个T最好是一个可调用对象,后续其它线程从任务队列拿任务时,就可以调用这个函数

首先对_mutex加锁,确保主线程投放任务时,没有其他线程正在访问队列。随后通过push把这个任务放进队列中。如果waitNum > 0,说明当前有线程在等待任务,通过pthread_cond_signal唤醒一个线程,让他来执行任务。

一切完毕后,释放自己的锁。


其他线程读取任务

现在就到了线程池最复杂的一部分,那就是其他线程读取任务的过程。

  1. 线程要保持互斥,从任务队列拿任务时,要对_mutex加锁
  2. 其它线程要与主线程同步,当任务队列为空,就去_cond下面等待

先写一个雏形:

template <typename T>
class threadPool
{
public:void handlerTask(std::string name){while (true){pthread_mutex_lock(&_mutex);while (_taskQueue.empty()){_waitNum++;pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex);_waitNum--;}T task = _taskQueue.front();_taskQueue.pop();std::cout << name << " get a task..." << std::endl;pthread_mutex_unlock(&_mutex);task();}}
};

访问队列前,首先对_mutex加锁,保证互斥。随后进行条件判断,taskQueue是否有任务,如果有任务,就直接拿走任务然后执行。如果没有任务,就去_cond下面等待。此时_waitNum++表示等待的线程多了一个,当从pthread_cond_wait等待结束后,就要_waitNum--

这个地方套了一个while循环,而不是if语句,这是因为哪怕当前线程被主线程唤醒了,也有可能发生伪唤醒,其实_taskQueue内部根本没有任务。所以还要进入下一次while判断,确保访问_taskQueue时一定是有任务的

当从while出来后,此时任务队列一定有任务,所以可以放心调用frontpop接口。拿到任务后,赋值给task。这里要先解锁,后调度task。因为调度task时,已经不算访问临界资源了,而调度函数的时间可能很长,此时先把锁释放掉,让其他线程拿任务,而不是自己执行完任务后才让别的线程拿任务,这样和单线程就没有区别了。

但是目前还有一个问题:如果线程访问任务队列时,线程池已经被终止了咋办?

线程池的终止与否,是通过成员_isRunning来判定的,在执行任务时判断一下_isRunning的值:

  • 如果当前没终止:正常运行
  • 如果当前终止了:
    • 如果任务队列还有任务:把任务执行完
    • 如果任务队列没任务:当前线程退出

那么我们的代码就变成下面这样:

template <typename T>
class threadPool
{
public:while (true){pthread_mutex_lock(&_mutex);while (_taskQueue.empty() && _isRunning){_waitNum++;pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex);_waitNum--;}//线程池终止了,并且队列中没有任务了 -> 线程退出if (_taskQueue.empty() && !_isRunning){pthread_mutex_unlock(&_mutex);std::cout << name << " quit..." << std::endl; break;//线程离开while循环,同时线程退出}//走到这一步:一定还有任务要执行,不论线程池有没有终止,都先把任务做完T task = _taskQueue.front();_taskQueue.pop();std::cout << name << " get a task..." << std::endl;pthread_mutex_unlock(&_mutex);task();}
};

以上代码大致分为三个区域:第一个while判断_taskQueue.empty() && _isRunning,如果进条件变量等待,那么必须是:线程池还没终止,并且当且队列为空。

如果线程池终止了,那么此时要么去拿任务,要么直接退出。如果队列不为空,毫无疑问就去拿任务。

随后进入第二个判断语句if (_taskQueue.empty() && !_isRunning),即判断刚刚的while循环是哪一种情况结束的。如果是线程池结束,并且任务队列为空,那么就终止这个线程。剩下的情况,就是任务队列有任务,此时不论线程有没有退出,都要把任务拿走执行掉。


终止线程池

终止线程池也不仅仅是直接_isRunning = false这么简单,要考虑一下问题:

  1. 如果在stop时,有线程正在调用handlerTask函数怎么办?

此时多个线程访问变量_isRunning,就有可能会造成线程安全问题,所以访问_isRunning时也要加锁,由于之前所有的访问_siRuiing的操作,都在_mutex锁中,所以和之前共用一把锁即可。

  1. 如果stop后,还有线程在_cond下面等待怎么办?

如果线程一直在_cond下面等待,就会导致无法退出,此时在_isRunning = false之后,还要通过pthread_cond_broadcast唤醒所有等待的线程,让它们重新执行handlerTask的逻辑,从而正常退出。

代码:

template <typename T>
class threadPool
{
public:void stop(){pthread_mutex_lock(&_mutex);_isRunning = false; //终止线程池pthread_cond_broadcast(&_cond); //唤醒所有等待的线程pthread_mutex_unlock(&_mutex);}
};

测试

现在我们已经有一个比较完整的线程池代码了,我们用以下代码测试一下:

int test()
{int a = rand() % 100 + 1;int b = rand() % 100 + 1;std::cout << a << " + " << b << " = " << a + b << std::endl;return a + b;
}int main()
{srand(static_cast<unsigned int>(time(nullptr)));threadPool<int(*)(void)> tp(3);tp.init();tp.allStart();for (int i = 0; i < 10; i++){tp.enQueue(test);sleep(1);}tp.stop();tp.allJoin();return 0;
}

通过threadPool<int(*)(void)> tp(3);创建有三个线程的线程池,执行的任务类型为int(void),但是要注意,此处要传入可调用对象,C++的可调用对象有:函数指针仿函数,lambda表达式。此处我用了函数指针int(*)(void)

接着init初始化线程池,此时线程对象Thread已经创建出来了,但是还有没创建线程。随后调用allStart,此时才真正创建了线程。

然后进入一个for循环,给任务队列派发任务,总共派发十个任务,都是函数test,其中生成两个随机数的加法。

最后调用stop终止退出线程池,此时线程也会一个个退出,然后调用allJoin回收所有线程。

输出结果:

在这里插入图片描述

最后可以看到,我们创建了三个线程,每个线程都依次拿到了任务,并且执行后计算出了结果。十个任务结束后,三个线程依次退出。


线程池总代码

我将线程池封装在文件ThreadPool.hpp中:

#pragma once#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <string>#include <unistd.h>
#include <pthread.h>#include "Thread.hpp"template <typename T>
class threadPool
{
public:threadPool(int threadNum = 5): _threadNum(threadNum), _waitNum(0), _isRunning(false){pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);pthread_cond_init(&_cond, nullptr);}~threadPool(){pthread_mutex_destroy(&_mutex);pthread_cond_destroy(&_cond);}void enQueue(const T& task){pthread_mutex_lock(&_mutex);if (_isRunning){_taskQueue.push(task);if (_waitNum)pthread_cond_signal(&_cond);}pthread_mutex_unlock(&_mutex);}void handlerTask(std::string name){while (true){pthread_mutex_lock(&_mutex);while (_taskQueue.empty() && _isRunning){_waitNum++;pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex);_waitNum--;}//线程池终止了,并且队列中没有任务了 -> 线程退出if (_taskQueue.empty() && !_isRunning){pthread_mutex_unlock(&_mutex);std::cout << name << " quit..." << std::endl; break;//线程离开while循环,同时线程退出}//走到这一步:一定还有任务要执行,不论线程池有没有终止,都先把任务做完T task = _taskQueue.front();_taskQueue.pop();std::cout << name << " get a task..." << std::endl;pthread_mutex_unlock(&_mutex);task();}}void init(){auto func = bind(&threadPool::handlerTask, this, std::placeholders::_1);for (int i = 1; i <= _threadNum; i++){std::string name = "Thread - " + std::to_string(i);_threads.emplace_back(func, name, name);}_isRunning = true;}void stop(){pthread_mutex_lock(&_mutex);_isRunning = false; //终止线程池pthread_cond_broadcast(&_cond); //唤醒所有等待的线程pthread_mutex_unlock(&_mutex);}void allStart(){for (auto& th : _threads)th.start();}void allJoin(){for (auto& th : _threads)th.join();}private:int _threadNum;  // 线程总数int _waitNum;    // 正在等待任务的线程数目bool _isRunning; // 当前线程池是否运行std::vector<Thread<std::string>> _threads; // 用数组管理多个线程std::queue<T> _taskQueue;                  // 任务队列pthread_mutex_t _mutex; // 互斥锁,维护任务队列pthread_cond_t _cond;   // 条件变量,保证主线程与其他线程之间的同步
};

测试代码main.cpp

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <ctime>
#include <cstdlib>#include <unistd.h>
#include <pthread.h>#include "ThreadPool.hpp"int test()
{int a = rand() % 100 + 1;int b = rand() % 100 + 1;std::cout << a << " + " << b << " = " << a + b << std::endl;return a + b;
}int main()
{srand(static_cast<unsigned int>(time(nullptr)));threadPool<int(*)(void)> tp(3);tp.init();tp.allStart();for (int i = 0; i < 10; i++){tp.enQueue(test);sleep(1);}tp.stop();tp.allJoin();return 0;
}

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