深入解析C++編程中線程池的使用
為什么需要線程池
目前的大多數(shù)網(wǎng)絡服務器，包括Web服務器、Email服務器以及數(shù)據(jù)庫服務器等都具有一個共同點，就是單位時間內(nèi)必須處理數(shù)目巨大的連接請求，但處理時間卻相對較短。
傳 統(tǒng)多線程方案中我們采用的服務器模型則是一旦接受到請求之后，即創(chuàng)建一個新的線程，由該線程執(zhí)行任務。任務執(zhí)行完畢后，線程退出，這就是是“即時創(chuàng)建，即 時銷毀”的策略。盡管與創(chuàng)建進程相比，創(chuàng)建線程的時間已經(jīng)大大的縮短，但是如果提交給線程的任務是執(zhí)行時間較短，而且執(zhí)行次數(shù)極其頻繁，那么服務器將處于 不停的創(chuàng)建線程，銷毀線程的狀態(tài)。
我們將傳統(tǒng)方案中的線程執(zhí)行過程分為三個過程：T1、T2、T3。
- T1：線程創(chuàng)建時間
- T2：線程執(zhí)行時間，包括線程的同步等時間
- T3：線程銷毀時間
那么我們可以看出，線程本身的開銷所占的比例為(T1+T3) / (T1+T2+T3)。如果線程執(zhí)行的時間很短的話，這比開銷可能占到20%-50%左右。如果任務執(zhí)行時間很頻繁的話，這筆開銷將是不可忽略的。
除此之外，線程池能夠減少創(chuàng)建的線程個數(shù)。通常線程池所允許的并發(fā)線程是有上界的，如果同時需要并發(fā)的線程數(shù)超過上界，那么一部分線程將會等待。而傳統(tǒng)方案中，如果同時請求數(shù)目為2000，那么最壞情況下，系統(tǒng)可能需要產(chǎn)生2000個線程。盡管這不是一個很大的數(shù)目，但是也有部分機器可能達不到這種要求。
因此線程池的出現(xiàn)正是著眼于減少線程池本身帶來的開銷。線程池采用預創(chuàng)建的技術(shù)，在應用程序啟動之后，將立即創(chuàng)建一定數(shù)量的線程(N1)，放入空閑隊列中。這些線程都是處于阻塞（Suspended）狀態(tài)，不消耗CPU，但占用較小的內(nèi)存空間。當任務到來后，緩沖池選擇一個空閑線程，把任務傳入此線程中運行。當N1個線程都在處理任務后，緩沖池自動創(chuàng)建一定數(shù)量的新線程，用于處理更多的任務。在任務執(zhí)行完畢后線程也不退出，而是繼續(xù)保持在池中等待下一次的任務。當系統(tǒng)比較空閑時，大部分線程都一直處于暫停狀態(tài)，線程池自動銷毀一部分線程，回收系統(tǒng)資源。
基于這種預創(chuàng)建技術(shù)，線程池將線程創(chuàng)建和銷毀本身所帶來的開銷分攤到了各個具體的任務上，執(zhí)行次數(shù)越多，每個任務所分擔到的線程本身開銷則越小，不過我們另外可能需要考慮進去線程之間同步所帶來的開銷
構(gòu)建線程池框架
一般線程池都必須具備下面幾個組成部分：
- 線程池管理器:用于創(chuàng)建并管理線程池
- 工作線程: 線程池中實際執(zhí)行的線程
- 任務接口: 盡管線程池大多數(shù)情況下是用來支持網(wǎng)絡服務器，但是我們將線程執(zhí)行的任務抽象出來，形成任務接口，從而是的線程池與具體的任務無關。
- 任務隊列: 線程池的概念具體到實現(xiàn)則可能是隊列，鏈表之類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中保存執(zhí)行線程。
我們實現(xiàn)的通用線程池框架由五個重要部分組成CThreadManage，CThreadPool，CThread，CJob，CWorkerThread，除此之外框架中還包括線程同步使用的類CThreadMutex和CCondition。
- CJob是所有的任務的基類，其提供一個接口Run，所有的任務類都必須從該類繼承，同時實現(xiàn)Run方法。該方法中實現(xiàn)具體的任務邏輯。
- CThread是Linux中線程的包裝，其封裝了Linux線程最經(jīng)常使用的屬性和方法，它也是一個抽象類，是所有線程類的基類，具有一個接口Run。
- CWorkerThread是實際被調(diào)度和執(zhí)行的線程類，其從CThread繼承而來，實現(xiàn)了CThread中的Run方法。
- CThreadPool是線程池類，其負責保存線程，釋放線程以及調(diào)度線程。
- CThreadManage是線程池與用戶的直接接口，其屏蔽了內(nèi)部的具體實現(xiàn)。
- CThreadMutex用于線程之間的互斥。
- CCondition則是條件變量的封裝，用于線程之間的同步。
CThreadManage直接跟客戶端打交道，其接受需要創(chuàng)建的線程初始個數(shù)，并接受客戶端提交的任務。這兒的任務是具體的非抽象的任務。CThreadManage的內(nèi)部實際上調(diào)用的都是CThreadPool的相關操作。CThreadPool創(chuàng)建具體的線程，并把客戶端提交的任務分發(fā)給CWorkerThread，CWorkerThread實際執(zhí)行具體的任務。
理解系統(tǒng)組件
下面我們分開來了解系統(tǒng)中的各個組件。
CThreadManage
CThreadManage的功能非常簡單，其提供最簡單的方法，其類定義如下：
class CThreadManage
{
private:
CThreadPool* m_Pool;
int m_NumOfThread;
protected:
public:
CThreadManage();
CThreadManage(int num);
virtual ~CThreadManage();
void SetParallelNum(int num);
void Run(CJob* job,void* jobdata);
void TerminateAll(void);
};
其中m_Pool指向?qū)嶋H的線程池；m_NumOfThread是初始創(chuàng)建時候允許創(chuàng)建的并發(fā)的線程個數(shù)。另外Run和TerminateAll方法也非常簡單，只是簡單的調(diào)用CThreadPool的一些相關方法而已。其具體的實現(xiàn)如下:
CThreadManage::CThreadManage()
{
m_NumOfThread = 10;
m_Pool = new CThreadPool(m_NumOfThread);
}
CThreadManage::CThreadManage(int num)
{
m_NumOfThread = num;
m_Pool = new CThreadPool(m_NumOfThread);
}
CThreadManage::~CThreadManage()
{
if(NULL != m_Pool)
delete m_Pool;
}
void CThreadManage::SetParallelNum(int num)
{
m_NumOfThread = num;
}
void CThreadManage::Run(CJob* job,void* jobdata)
{
m_Pool->Run(job,jobdata);
}
void CThreadManage::TerminateAll(void)
{
m_Pool->TerminateAll();
}
CThread
CThread 類實現(xiàn)了對Linux中線程操作的封裝，它是所有線程的基類，也是一個抽象類，提供了一個抽象接口Run，所有的CThread都必須實現(xiàn)該Run方法。CThread的定義如下所示：
class CThread
{
private:
int m_ErrCode;
Semaphore m_ThreadSemaphore; //the inner semaphore, which is used to realize
unsigned long m_ThreadID;
bool m_Detach; //The thread is detached
bool m_CreateSuspended; //if suspend after creating
char* m_ThreadName;
ThreadState m_ThreadState; //the state of the thread
protected:
void SetErrcode(int errcode){m_ErrCode = errcode;}
static void* ThreadFunction(void*);
public:
CThread();
CThread(bool createsuspended,bool detach);
virtual ~CThread();
virtual void Run(void) = 0;
void SetThreadState(ThreadState state){m_ThreadState = state;}
bool Terminate(void); //Terminate the threa
bool Start(void); //Start to execute the thread
void Exit(void);
bool Wakeup(void);
ThreadState GetThreadState(void){return m_ThreadState;}
int GetLastError(void){return m_ErrCode;}
void SetThreadName(char* thrname){strcpy(m_ThreadName,thrname);}
char* GetThreadName(void){return m_ThreadName;}
int GetThreadID(void){return m_ThreadID;}
bool SetPriority(int priority);
int GetPriority(void);
int GetConcurrency(void);
void SetConcurrency(int num);
bool Detach(void);
bool Join(void);
bool Yield(void);
int Self(void);
};
線程的狀態(tài)可以分為四種，空閑、忙碌、掛起、終止(包括正常退出和非正常退出)。由于目前Linux線程庫不支持掛起操作，因此，我們的此處的掛起操作類似于暫停。如果線程創(chuàng)建后不想立即執(zhí)行任務，那么我們可以將其“暫停”，如果需要運行，則喚醒。有一點必須注意的是，一旦線程開始執(zhí)行任務，將不能被掛起，其將一直執(zhí)行任務至完畢。
線程類的相關操作均十分簡單。線程的執(zhí)行入口是從Start()函數(shù)開始，其將調(diào)用函數(shù)ThreadFunction，ThreadFunction再調(diào)用實際的Run函數(shù)，執(zhí)行實際的任務。
CThreadPool
CThreadPool是線程的承載容器，一般可以將其實現(xiàn)為堆棧、單向隊列或者雙向隊列。在我們的系統(tǒng)中我們使用STL Vector對線程進行保存。CThreadPool的實現(xiàn)代碼如下：
class CThreadPool
{
friend class CWorkerThread;
private:
unsigned int m_MaxNum; //the max thread num that can create at the same time
unsigned int m_AvailLow; //The min num of idle thread that shoule kept
unsigned int m_AvailHigh; //The max num of idle thread that kept at the same time
unsigned int m_AvailNum; //the normal thread num of idle num;
unsigned int m_InitNum; //Normal thread num;
protected:
CWorkerThread* GetIdleThread(void);
void AppendToIdleList(CWorkerThread* jobthread);
void MoveToBusyList(CWorkerThread* idlethread);
void MoveToIdleList(CWorkerThread* busythread);
void DeleteIdleThread(int num);
void CreateIdleThread(int num);
public:
CThreadMutex m_BusyMutex; //when visit busy list,use m_BusyMutex to lock and unlock
CThreadMutex m_IdleMutex; //when visit idle list,use m_IdleMutex to lock and unlock
CThreadMutex m_JobMutex; //when visit job list,use m_JobMutex to lock and unlock
CThreadMutex m_VarMutex;
CCondition m_BusyCond; //m_BusyCond is used to sync busy thread list
CCondition m_IdleCond; //m_IdleCond is used to sync idle thread list
CCondition m_IdleJobCond; //m_JobCond is used to sync job list
CCondition m_MaxNumCond;
vector<CWorkerThread*> m_ThreadList;
vector<CWorkerThread*> m_BusyList; //Thread List
vector<CWorkerThread*> m_IdleList; //Idle List
CThreadPool();
CThreadPool(int initnum);
virtual ~CThreadPool();
void SetMaxNum(int maxnum){m_MaxNum = maxnum;}
int GetMaxNum(void){return m_MaxNum;}
void SetAvailLowNum(int minnum){m_AvailLow = minnum;}
int GetAvailLowNum(void){return m_AvailLow;}
void SetAvailHighNum(int highnum){m_AvailHigh = highnum;}
int GetAvailHighNum(void){return m_AvailHigh;}
int GetActualAvailNum(void){return m_AvailNum;}
int GetAllNum(void){return m_ThreadList.size();}
int GetBusyNum(void){return m_BusyList.size();}
void SetInitNum(int initnum){m_InitNum = initnum;}
int GetInitNum(void){return m_InitNum;}
void TerminateAll(void);
void Run(CJob* job,void* jobdata);
};
CWorkerThread* CThreadPool::GetIdleThread(void)
{
while(m_IdleList.size() ==0 )
m_IdleCond.Wait();
m_IdleMutex.Lock();
if(m_IdleList.size() > 0 )
{
CWorkerThread* thr = (CWorkerThread*)m_IdleList.front();
printf("Get Idle thread %d\n",thr->GetThreadID());
m_IdleMutex.Unlock();
return thr;
}
m_IdleMutex.Unlock();
return NULL;
}
//create num idle thread and put them to idlelist
void CThreadPool::CreateIdleThread(int num)
{
for(int i=0;i<num;i++){
CWorkerThread* thr = new CWorkerThread();
thr->SetThreadPool(this);
AppendToIdleList(thr);
m_VarMutex.Lock();
m_AvailNum++;
m_VarMutex.Unlock();
thr->Start(); //begin the thread,the thread wait for job
}
}
void CThreadPool::Run(CJob* job,void* jobdata)
{
assert(job!=NULL);
//if the busy thread num adds to m_MaxNum,so we should wait
if(GetBusyNum() == m_MaxNum)
m_MaxNumCond.Wait();
if(m_IdleList.size()<m_AvailLow)
{
if(GetAllNum()+m_InitNum-m_IdleList.size() < m_MaxNum )
CreateIdleThread(m_InitNum-m_IdleList.size());
else
CreateIdleThread(m_MaxNum-GetAllNum());
}
CWorkerThread* idlethr = GetIdleThread();
if(idlethr !=NULL)
{
idlethr->m_WorkMutex.Lock();
MoveToBusyList(idlethr);
idlethr->SetThreadPool(this);
job->SetWorkThread(idlethr);
printf("Job is set to thread %d \n",idlethr->GetThreadID());
idlethr->SetJob(job,jobdata);
}
}
在CThreadPool中存在兩個鏈表，一個是空閑鏈表，一個是忙碌鏈表。Idle鏈表中存放所有的空閑進程，當線程執(zhí)行任務時候，其狀態(tài)變?yōu)槊β禒顟B(tài)，同時從空閑鏈表中刪除，并移至忙碌鏈表中。在CThreadPool的構(gòu)造函數(shù)中，我們將執(zhí)行下面的代碼:
for(int i=0;i<m_InitNum;i++)
{
CWorkerThread* thr = new CWorkerThread();
AppendToIdleList(thr);
thr->SetThreadPool(this);
thr->Start(); //begin the thread,the thread wait for job
}
在該代碼中，我們將創(chuàng)建m_InitNum個線程，創(chuàng)建之后即調(diào)用AppendToIdleList放入Idle鏈表中，由于目前沒有任務分發(fā)給這些線程，因此線程執(zhí)行Start后將自己掛起。
事實上，線程池中容納的線程數(shù)目并不是一成不變的，其會根據(jù)執(zhí)行負載進行自動伸縮。為此在CThreadPool中設定四個變量：
m_InitNum：處世創(chuàng)建時線程池中的線程的個數(shù)。
m_MaxNum:當前線程池中所允許并發(fā)存在的線程的最大數(shù)目。
m_AvailLow:當前線程池中所允許存在的空閑線程的最小數(shù)目，如果空閑數(shù)目低于該值，表明負載可能過重，此時有必要增加空閑線程池的數(shù)目。實現(xiàn)中我們總是將線程調(diào)整為m_InitNum個。
m_AvailHigh：當前線程池中所允許的空閑的線程的最大數(shù)目，如果空閑數(shù)目高于該值，表明當前負載可能較輕，此時將刪除多余的空閑線程，刪除后調(diào)整數(shù)也為m_InitNum個。
m_AvailNum：目前線程池中實際存在的線程的個數(shù)，其值介于m_AvailHigh和m_AvailLow之間。如果線程的個數(shù)始終維持在m_AvailLow和m_AvailHigh之間，則線程既不需要創(chuàng)建，也不需要刪除，保持平衡狀態(tài)。因此如何設定m_AvailLow和m_AvailHigh的值，使得線程池最大可能的保持平衡態(tài)，是線程池設計必須考慮的問題。
線程池在接受到新的任務之后，線程池首先要檢查是否有足夠的空閑池可用。檢查分為三個步驟：
(1)檢查當前處于忙碌狀態(tài)的線程是否達到了設定的最大值m_MaxNum，如果達到了，表明目前沒有空閑線程可用，而且也不能創(chuàng)建新的線程，因此必須等待直到有線程執(zhí)行完畢返回到空閑隊列中。
(2)如果當前的空閑線程數(shù)目小于我們設定的最小的空閑數(shù)目m_AvailLow，則我們必須創(chuàng)建新的線程，默認情況下，創(chuàng)建后的線程數(shù)目應該為m_InitNum，因此創(chuàng)建的線程數(shù)目應該為( 當前空閑線程數(shù)與m_InitNum);但是有一種特殊情況必須考慮，就是現(xiàn)有的線程總數(shù)加上創(chuàng)建后的線程數(shù)可能超過m_MaxNum，因此我們必須對線程的創(chuàng)建區(qū)別對待。
if(GetAllNum()+m_InitNum-m_IdleList.size() < m_MaxNum )
CreateIdleThread(m_InitNum-m_IdleList.size());
else
CreateIdleThread(m_MaxNum-GetAllNum());
如果創(chuàng)建后總數(shù)不超過m_MaxNum，則創(chuàng)建后的線程為m_InitNum；如果超過了，則只創(chuàng)建( m_MaxNum-當前線程總數(shù) )個。
(3)調(diào)用GetIdleThread方法查找空閑線程。如果當前沒有空閑線程，則掛起；否則將任務指派給該線程，同時將其移入忙碌隊列。
當線程執(zhí)行完畢后，其會調(diào)用MoveToIdleList方法移入空閑鏈表中，其中還調(diào)用m_IdleCond.Signal()方法，喚醒GetIdleThread()中可能阻塞的線程。
CJob
CJob類相對簡單，其封裝了任務的基本的屬性和方法，其中最重要的是Run方法，代碼如下：
class CJob
{
private:
int m_JobNo; //The num was assigned to the job
char* m_JobName; //The job name
CThread *m_pWorkThread; //The thread associated with the job
public:
CJob( void );
virtual ~CJob();
int GetJobNo(void) const { return m_JobNo; }
void SetJobNo(int jobno){ m_JobNo = jobno;}
char* GetJobName(void) const { return m_JobName; }
void SetJobName(char* jobname);
CThread *GetWorkThread(void){ return m_pWorkThread; }
void SetWorkThread ( CThread *pWorkThread ){
m_pWorkThread = pWorkThread;
}
virtual void Run ( void *ptr ) = 0;
};
線程池使用示例
至此我們給出了一個簡單的與具體任務無關的線程池框架。使用該框架非常的簡單，我們所需要的做的就是派生CJob類，將需要完成的任務實現(xiàn)在Run方法中。然后將該Job交由CThreadManage去執(zhí)行。下面我們給出一個簡單的示例程序
class CXJob:public CJob
{
public:
CXJob(){i=0;}
~CXJob(){}
void Run(void* jobdata) {
printf("The Job comes from CXJOB\n");
sleep(2);
}
};
class CYJob:public CJob
{
public:
CYJob(){i=0;}
~CYJob(){}
void Run(void* jobdata) {
printf("The Job comes from CYJob\n");
}
};
main()
{
CThreadManage* manage = new CThreadManage(10);
for(int i=0;i<40;i++)
{
CXJob* job = new CXJob();
manage->Run(job,NULL);
}
sleep(2);
CYJob* job = new CYJob();
manage->Run(job,NULL);
manage->TerminateAll();
}
CXJob和CYJob都是從Job類繼承而來，其都實現(xiàn)了Run接口。CXJob只是簡單的打印一句”The Job comes from CXJob”，CYJob也只打印”The Job comes from CYJob”，然后均休眠2秒鐘。在主程序中我們初始創(chuàng)建10個工作線程。然后分別執(zhí)行40次CXJob和一次CYJob。
C++ 線程池的封裝實現(xiàn)
為了充分利用多核的優(yōu)勢，我們利用多線程來進行任務處理，但線程也同樣不能濫用，會帶來一下幾個問題：
1）線程本身存在開銷，系統(tǒng)必須為每個線程分配如棧，TLS（線程局部存儲），寄存器等。
2）線程管理會給系統(tǒng)帶來開銷，context切換同樣會給系統(tǒng)帶來成本。
3）線程本身是可以重用的資源，不需要每次都進行初始化。
所以往往在使用中，我們無需把線程與task任務進行一對一對應，只需要預先初始化有限的線程個數(shù)來處理無限的task任務即可，線程池應運而生，原理也就是如此。
主要含有三個隊列
- 工作隊列
- 工作線程隊列
- 忙碌線程隊列
工作隊列是一個阻塞隊列，任務（仿函數(shù)）任務不算被push進來（notify阻塞獲取的工作線程），工作線程隊列（一直不變）則從該隊列中獲取任務執(zhí)行（wait獲取，當任務隊列為空時阻塞等待通知），如果獲取到任務，則將線程會進入忙碌線程隊列中，執(zhí)行任務的仿函數(shù)，當工作完成，重新移出工作線程隊列。
定義線程池專屬異常：
struct TC_ThreadPool_Exception : public TC_Exception
{
TC_ThreadPool_Exception(const string &buffer) : TC_Exception(buffer){};
TC_ThreadPool_Exception(const string &buffer, int err) : TC_Exception(buffer, err){};
~TC_ThreadPool_Exception () throw (){};
};
/**
* @brief 用通線程池類, 與tc_functor, tc_functorwrapper配合使用.
*
* 使用方式說明:
* 1 采用tc_functorwrapper封裝一個調(diào)用
* 2 用tc_threadpool對調(diào)用進行執(zhí)行
* 具體示例代碼請參見:test/test_tc_thread_pool.cpp
*/
/**線程池本身繼承自鎖，可以幫助鎖定**/
class TC_ThreadPool : public TC_ThreadLock
{
public:
/**
* @brief 構(gòu)造函數(shù)
*
*/
TC_ThreadPool ();
/**
* @brief 析構(gòu), 會停止所有線程
*/
~TC_ThreadPool ();
/**
* @brief 初始化.
*
* @param num 工作線程個數(shù)
*/
void init(size_t num);
/**
* @brief 獲取線程個數(shù).
*
* @return size_t 線程個數(shù)
*/
size_t getThreadNum() { Lock sync(* this); return _jobthread. size(); }
/**
* @brief 獲取線程池的任務數(shù)( exec添加進去的).
*
* @return size_t 線程池的任務數(shù)
*/
size_t getJobNum() { return _jobqueue. size(); }
/**
* @brief 停止所有線程
*/
void stop();
/**
* @brief 啟動所有線程
*/
void start();
/**
* @brief 啟動所有線程并, 執(zhí)行初始化對象.
*
* @param ParentFunctor
* @param tf
*/
template<class ParentFunctor>
void start(const TC_FunctorWrapper< ParentFunctor> &tf)
{
for(size_t i = 0; i < _jobthread .size(); i++)
{
_startqueue. push_back(new TC_FunctorWrapper<ParentFunctor >(tf));
}
start();
}
/**
* @brief 添加對象到線程池執(zhí)行，該函數(shù)馬上返回，
* 線程池的線程執(zhí)行對象
*/
template<class ParentFunctor>
void exec(const TC_FunctorWrapper< ParentFunctor> &tf)
{
_jobqueue.push_back(new TC_FunctorWrapper<ParentFunctor >(tf));
}
/**
* @brief 等待所有工作全部結(jié)束(隊列無任務, 無空閑線程).
*
* @param millsecond 等待的時間( ms), -1:永遠等待
* @return true, 所有工作都處理完畢
* false,超時退出
*/
bool waitForAllDone(int millsecond = -1);
public:
/**
* @brief 線程數(shù)據(jù)基類,所有線程的私有數(shù)據(jù)繼承于該類
*/
class ThreadData
{
public:
/**
* @brief 構(gòu)造
*/
ThreadData(){};
/**
* @brief 析夠
*/
virtual ~ThreadData(){};
/**
* @brief 生成數(shù)據(jù).
*
* @ param T
* @return ThreadData*
*/
template<typename T>
static T* makeThreadData()
{
return new T;
}
};
/**
* @brief 設置線程數(shù)據(jù).
*
* @param p 線程數(shù)據(jù)
*/
static void setThreadData(ThreadData *p);
/**
* @brief 獲取線程數(shù)據(jù).
*
* @return ThreadData* 線程數(shù)據(jù)
*/
static ThreadData* getThreadData();
/**
* @brief 設置線程數(shù)據(jù), key需要自己維護.
*
* @param pkey 線程私有數(shù)據(jù)key
* @param p 線程指針
*/
static void setThreadData(pthread_key_t pkey, ThreadData *p);
/**
* @brief 獲取線程數(shù)據(jù), key需要自己維護.
*
* @param pkey 線程私有數(shù)據(jù)key
* @return 指向線程的ThreadData*指針
*/
static ThreadData* getThreadData(pthread_key_t pkey);
protected:
/**
* @brief 釋放資源.
*
* @param p
*/
static void destructor(void *p);
/**
* @brief 初始化key
*/
class KeyInitialize
{
public:
/**
* @brief 初始化key
*/
KeyInitialize()
{
int ret = pthread_key_create(&TC_ThreadPool::g_key, TC_ThreadPool::destructor);
if(ret != 0)
{
throw TC_ThreadPool_Exception("[TC_ThreadPool::KeyInitialize] pthread_key_create error", ret);
}
}
/**
* @brief 釋放key
*/
~KeyInitialize()
{
pthread_key_delete(TC_ThreadPool::g_key);
}
};
/**
* @brief 初始化key的控制
*/
static KeyInitialize g_key_initialize;
/**
* @brief 數(shù)據(jù)key
*/
static pthread_key_t g_key;
protected:
/**
* @brief 線程池中的工作線程
*/
class ThreadWorker : public TC_Thread
{
public:
/**
* @brief 工作線程構(gòu)造函數(shù).
*
* @ param tpool
*/
ThreadWorker(TC_ThreadPool *tpool);
/**
* @brief 通知工作線程結(jié)束
*/
void terminate();
protected:
/**
* @brief 運行
*/
virtual void run();
protected:
/**
* 線程池指針
*/
TC_ThreadPool * _tpool;
/**
* 是否結(jié)束線程
*/
bool _bTerminate;
};
protected:
/**
* @brief 清除
*/
void clear();
/**
* @brief 獲取任務, 如果沒有任務, 則為NULL.
*
* @return TC_FunctorWrapperInterface*
*/
TC_FunctorWrapperInterface * get(ThreadWorker *ptw);
/**
* @brief 獲取啟動任務.
*
* @return TC_FunctorWrapperInterface*
*/
TC_FunctorWrapperInterface * get();
/**
* @brief 空閑了一個線程.
*
* @param ptw
*/
void idle(ThreadWorker *ptw);
/**
* @brief 通知等待在任務隊列上的工作線程醒來
*/
void notifyT();
/**
* @brief 是否處理結(jié)束.
*
* @return bool
*/
bool finish();
/**
* @brief 線程退出時調(diào)用
*/
void exit();
friend class ThreadWorker;
protected:
/**
* 任務隊列
*/
TC_ThreadQueue< TC_FunctorWrapperInterface*> _jobqueue;
/**
* 啟動任務
*/
TC_ThreadQueue< TC_FunctorWrapperInterface*> _startqueue;
/**
* 工作線程
*/
std::vector<ThreadWorker *> _jobthread;
/**
* 繁忙線程
*/
std::set<ThreadWorker *> _busthread;
/**
* 任務隊列的鎖
*/
TC_ThreadLock _tmutex;
/**
* 是否所有任務都執(zhí)行完畢
*/
bool _bAllDone;
};
工作線程設計如下：
TC_ThreadPool ::ThreadWorker::ThreadWorker(TC_ThreadPool *tpool)
: _tpool (tpool)
, _bTerminate ( false)
{
}
void TC_ThreadPool ::ThreadWorker::terminate()
{
_bTerminate = true;
_tpool->notifyT();
}
void TC_ThreadPool ::ThreadWorker::run()
{
//調(diào)用初始化部分
TC_FunctorWrapperInterface *pst = _tpool->get();
if(pst)
{
try
{
(*pst)();
}
catch ( ... )
{
}
delete pst;
pst = NULL;
}
//調(diào)用處理部分
while (! _bTerminate)
{
TC_FunctorWrapperInterface *pfw = _tpool->get( this);
if(pfw != NULL)
{
auto_ptr< TC_FunctorWrapperInterface> apfw(pfw);
try
{
(*pfw)();
}
catch ( ... )
{
}
_tpool->idle( this);
}
}
//結(jié)束
_tpool->exit();
}
每個工作線程在剛開始時都會執(zhí)行一下初始化操作，并進入一個無限循環(huán)的部分//調(diào)用處理部分
while (! _bTerminate)
{
TC_FunctorWrapperInterface *pfw = _tpool->get( this);
if(pfw != NULL)
{
auto_ptr< TC_FunctorWrapperInterface> apfw(pfw);
try
{
(*pfw)();
}
catch ( ... )
{
}
_tpool->idle( this);
}
}
該工作主要是無限的從線程池的工作隊列中獲取任務并執(zhí)行，如果成功獲取任務，則會將線程移進忙碌隊列：
TC_FunctorWrapperInterface *TC_ThreadPool:: get(ThreadWorker *ptw)
{
TC_FunctorWrapperInterface *pFunctorWrapper = NULL;
if(! _jobqueue. pop_front(pFunctorWrapper, 1000))
{
return NULL;
}
{
Lock sync( _tmutex);
_busthread. insert(ptw);
}
return pFunctorWrapper;
}
執(zhí)行完，移回工作線程隊列：_tpool->idle( this);
void TC_ThreadPool:: idle(ThreadWorker *ptw)
{
Lock sync( _tmutex);
_busthread. erase(ptw);
//無繁忙線程, 通知等待在線程池結(jié)束的線程醒過來
if( _busthread. empty())
{
_bAllDone = true;
_tmutex.notifyAll();
}
}
此處jobThread隊列初始化后不會改變（因為沒有實現(xiàn)自增長功能），所以非線程安全的vector隊列即可，busthread的忙碌線程隊列會被移進移出，但是操作會自帶Lock sync( _tmutex)，該互斥量是線程池本身繼承的，所以是共有的，也無需另外使用線程安全的TC_ThreadQueue，使用vector即可。
TC_ThreadPool:: idle中的
if( _busthread. empty())
{
_bAllDone = true;
_tmutex.notifyAll();
}
主要用于當線程池工作起來后的waitForAllDone方法:
bool TC_ThreadPool:: waitForAllDone( int millsecond)
{
Lock sync( _tmutex);
start1:
//任務隊列和繁忙線程都是空的
if (finish())
{
return true;
}
//永遠等待
if(millsecond < 0)
{
_tmutex.timedWait(1000);
goto start1;
}
int64_t iNow = TC_Common:: now2ms();
int m = millsecond;
start2:
bool b = _tmutex.timedWait(millsecond);
//完成處理了
if(finish())
{
return true;
}
if(!b)
{
return false;
}
millsecond = max((int64_t )0, m - (TC_Common ::now2ms() - iNow));
goto start2;
return false;
}
_tmutex.timedWait(millsecond)方法喚醒。反復判斷是否所有的工作是否完成：
bool TC_ThreadPool:: finish()
{
return _startqueue. empty() && _jobqueue .empty() && _busthread. empty() && _bAllDone;
}
整體cpp實現(xiàn)如下：
TC_ThreadPool ::KeyInitialize TC_ThreadPool::g_key_initialize;
pthread_key_t TC_ThreadPool::g_key ;
void TC_ThreadPool::destructor( void *p)
{
ThreadData *ttd = ( ThreadData*)p;
if(ttd)
{
delete ttd;
}
}
void TC_ThreadPool::exit()
{
TC_ThreadPool:: ThreadData *p = getThreadData();
if(p)
{
delete p;
int ret = pthread_setspecific( g_key, NULL );
if(ret != 0)
{
throw TC_ThreadPool_Exception ("[TC_ThreadPool::setThreadData] pthread_setspecific error", ret);
}
}
_jobqueue. clear();
}
void TC_ThreadPool::setThreadData( TC_ThreadPool:: ThreadData *p)
{
TC_ThreadPool:: ThreadData *pOld = getThreadData();
if(pOld != NULL && pOld != p)
{
delete pOld;
}
int ret = pthread_setspecific( g_key, ( void *)p);
if(ret != 0)
{
throw TC_ThreadPool_Exception ("[TC_ThreadPool::setThreadData] pthread_setspecific error", ret);
}
}
TC_ThreadPool ::ThreadData * TC_ThreadPool::getThreadData ()
{
return ( ThreadData *) pthread_getspecific( g_key);
}
void TC_ThreadPool::setThreadData( pthread_key_t pkey, ThreadData *p)
{
TC_ThreadPool:: ThreadData *pOld = getThreadData(pkey);
if(pOld != NULL && pOld != p)
{
delete pOld;
}
int ret = pthread_setspecific(pkey, ( void *)p);
if(ret != 0)
{
throw TC_ThreadPool_Exception ("[TC_ThreadPool::setThreadData] pthread_setspecific error", ret);
}
}
TC_ThreadPool ::ThreadData * TC_ThreadPool::getThreadData( pthread_key_t pkey)
{
return ( ThreadData *) pthread_getspecific(pkey);
}
TC_ThreadPool::TC_ThreadPool()
: _bAllDone ( true)
{
}
TC_ThreadPool::~TC_ThreadPool()
{
stop();
clear();
}
void TC_ThreadPool::clear()
{
std::vector< ThreadWorker *>::iterator it = _jobthread. begin();
while(it != _jobthread. end())
{
delete (*it);
++it;
}
_jobthread. clear();
_busthread. clear();
}
void TC_ThreadPool::init( size_t num)
{
stop();
Lock sync(* this);
clear();
for( size_t i = 0; i < num; i++)
{
_jobthread. push_back( new ThreadWorker( this));
}
}
void TC_ThreadPool::stop()
{
Lock sync(* this);
std::vector< ThreadWorker *>::iterator it = _jobthread. begin();
while(it != _jobthread. end())
{
if ((*it)-> isAlive())
{
(*it)-> terminate();
(*it)-> getThreadControl().join ();
}
++it;
}
_bAllDone = true;
}
void TC_ThreadPool::start()
{
Lock sync(* this);
std::vector< ThreadWorker *>::iterator it = _jobthread. begin();
while(it != _jobthread. end())
{
(*it)-> start();
++it;
}
_bAllDone = false;
}
bool TC_ThreadPool:: finish()
{
return _startqueue. empty() && _jobqueue .empty() && _busthread. empty() && _bAllDone;
}
bool TC_ThreadPool::waitForAllDone( int millsecond)
{
Lock sync( _tmutex);
start1:
//任務隊列和繁忙線程都是空的
if (finish ())
{
return true;
}
//永遠等待
if(millsecond < 0)
{
_tmutex.timedWait(1000);
goto start1;
}
int64_t iNow = TC_Common:: now2ms();
int m = millsecond;
start2:
bool b = _tmutex.timedWait(millsecond);
//完成處理了
if(finish ())
{
return true;
}
if(!b)
{
return false;
}
millsecond = max((int64_t )0, m - (TC_Common ::now2ms() - iNow));
goto start2;
return false;
}
TC_FunctorWrapperInterface *TC_ThreadPool::get( ThreadWorker *ptw)
{
TC_FunctorWrapperInterface *pFunctorWrapper = NULL;
if(! _jobqueue. pop_front(pFunctorWrapper, 1000))
{
return NULL;
}
{
Lock sync( _tmutex);
_busthread. insert(ptw);
}
return pFunctorWrapper;
}
TC_FunctorWrapperInterface *TC_ThreadPool::get()
{
TC_FunctorWrapperInterface *pFunctorWrapper = NULL;
if(! _startqueue. pop_front(pFunctorWrapper))
{
return NULL;
}
return pFunctorWrapper;
}
void TC_ThreadPool::idle( ThreadWorker *ptw)
{
Lock sync( _tmutex);
_busthread. erase(ptw);
//無繁忙線程, 通知等待在線程池結(jié)束的線程醒過來
if( _busthread. empty())
{
_bAllDone = true;
_tmutex.notifyAll();
}
}
void TC_ThreadPool::notifyT()
{
_jobqueue. notifyT();
}
線程池使用后記
線程池適合場合
事 實上，線程池并不是萬能的。它有其特定的使用場合。線程池致力于減少線程本身的開銷對應用所產(chǎn)生的影響，這是有前提的，前提就是線程本身開銷與線程執(zhí)行任 務相比不可忽略。如果線程本身的開銷相對于線程任務執(zhí)行開銷而言是可以忽略不計的，那么此時線程池所帶來的好處是不明顯的，比如對于FTP服務器以及Telnet服務器，通常傳送文件的時間較長，開銷較大，那么此時，我們采用線程池未必是理想的方法，我們可以選擇“即時創(chuàng)建，即時銷毀”的策略。
總之線程池通常適合下面的幾個場合：
(1) 單位時間內(nèi)處理任務頻繁而且任務處理時間短
(2) 對實時性要求較高。如果接受到任務后在創(chuàng)建線程，可能滿足不了實時要求，因此必須采用線程池進行預創(chuàng)建。
(3) 必須經(jīng)常面對高突發(fā)性事件，比如Web服務器，如果有足球轉(zhuǎn)播，則服務器將產(chǎn)生巨大的沖擊。此時如果采取傳統(tǒng)方法，則必須不停的大量產(chǎn)生線程，銷毀線程。此時采用動態(tài)線程池可以避免這種情況的發(fā)生。
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