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2016年(181)

我的朋友

分类: LINUX

2016-06-04 16:05:15

今天看到一篇hao文章,现在跟大家分享一下,但是必须得自己去学会实践!

什么是线程池?

简单点说,线程池就是有一堆已经创建好了的线程,初始它们都处于空闲等待状态,当有新的任务需要处理的时候,就从这个池子里面取一个空闲等 待的线程来处理该任务,当处理完成了就再次把该线程放回池中,以供后面的任务使用。当池子里的线程全都处理忙碌状态时,线程池中没有可用的空闲等待线程, 此时,根据需要选择创建一个新的线程并置入池中,或者通知任务线程池忙,稍后再试。
为什么要用线程池?

为什么要用线程池?

         我们说,线程的创建和销毁比之进程的创建和销毁是轻量级的,但是当我们的任务需要大量进行大量线程的创建和销毁操作时,这个消耗就会变成的相当大。比如, 当你设计一个压力性能测试框架的时候,需要连续产生大量的并发操作,这个是时候,线程池就可以很好的帮上你的忙。线程池的好处就在于线程复用,一个任务处理完成后,当前线程可以直接处理下一个任务,而不是销毁后再创建,非常适用于连续产生大量并发任务的场合。


线程池工作原理

线程池中每一个线程的工作过程如下:


图 1: 线程的工作流程

线程池的任务就在于负责这些线程的创建,销毁和任务处理参数

传递、唤醒和等待。

1.      创建若干线程,置入线程池

2.      任务达到时,从线程池取空闲线程

3.      取得了空闲线程,立即进行任务处理

4.      否则新建一个线程,并置入线程池,执行3

5.      如果创建失败或者线程池已满,根据设计策略选择返回错误或将任务置入处理队列,等待处理

6.      销毁线程池






线程池设计



数据结构设计


任务设计
[cpp] view plaincopy
typedef struct tp_work_desc_s TpWorkDesc;  
typedef void (*process_job)(TpWorkDesc*job);  
struct tp_work_desc_s {  
         void *ret; //call in, that is arguments  
         void *arg; //call out, that is return value  
};  

其中,TpWorkDesc是任务参数描述,arg是传递给任务的参数,ret则是任务处理完成后的返回值;
process_job函数是任务处理函数原型,每个任务处理函数都应该这样定义,然后将它作为参数传给线程池处理,线程池将会选择一个空闲线程通过调用该函数来进行任务处理;

 

线程设计
[cpp] view plaincopy
typedef struct tp_thread_info_s TpThreadInfo;  
struct tp_thread_info_s {  
         pthread_t thread_id; //thread id num  
         TPBOOL is_busy; //thread status:true-busy;flase-idle  
         pthread_cond_t thread_cond;  
         pthread_mutex_t thread_lock;  
         process_job proc_fun;  
         TpWorkDesc* th_job;  
         TpThreadPool* tp_pool;  
};  

TpThreadInfo是对一个线程的描述。
thread_id是该线程的ID;

is_busy用于标识该线程是否正处理忙碌状态;

thread_cond用于任务处理时的唤醒和等待;

thread_lock,用于任务加锁,用于条件变量等待加锁;

proc_fun是当前任务的回调函数地址;

th_job是任务的参数信息;

tp_pool是所在线程池的指针;

 

线程池设计
[cpp] view plaincopy
typedef struct tp_thread_pool_s TpThreadPool;  
struct tp_thread_pool_s {  
         unsigned min_th_num; //min thread number in the pool  
         unsigned cur_th_num; //current thread number in the pool  
         unsigned max_th_num; //max thread number in the pool  
         pthread_mutex_t tp_lock;  
         pthread_t manage_thread_id; //manage thread id num  
         TpThreadInfo* thread_info;  
         Queue idle_q;  
         TPBOOL stop_flag;  
};  

TpThreadPool是对线程池的描述。
min_th_num是线程池中至少存在的线程数,线程池初始化的过程中会创建min_th_num数量的线程;

cur_th_num是线程池当前存在的线程数量;

max_th_num则是线程池最多可以存在的线程数量;

tp_lock用于线程池管理时的互斥;

manage_thread_id是线程池的管理线程ID;

thread_info则是指向线程池数据,这里使用一个数组来存储线程池中线程的信息,该数组的大小为max_th_num;

idle_q是存储线程池空闲线程指针的队列,用于从线程池快速取得空闲线程;

stop_flag用于线程池的销毁,当stop_flag为FALSE时,表明当前线程池需要销毁,所有忙碌线程在处理完当前任务后会退出;


算法设计


线程池的创建和初始化
线程创建

创建伊始,线程池线程容量大小上限为max_th_num,初始容量为min_th_num;

[cpp] view plaincopy
TpThreadPool *tp_create(unsigned min_num, unsigned max_num) {  
    TpThreadPool *pTp;  
    pTp = (TpThreadPool*) malloc(sizeof(TpThreadPool));  
  
    memset(pTp, 0, sizeof(TpThreadPool));  
  
    //init member var  
    pTp->min_th_num = min_num;  
    pTp->cur_th_num = min_num;  
    pTp->max_th_num = max_num;  
    pthread_mutex_init(&pTp->tp_lock, NULL);  
  
    //malloc mem for num thread info struct  
    if (NULL != pTp->thread_info)  
        free(pTp->thread_info);  
    pTp->thread_info = (TpThreadInfo*) malloc(sizeof(TpThreadInfo) * pTp->max_th_num);  
    memset(pTp->thread_info, 0, sizeof(TpThreadInfo) * pTp->max_th_num);  
  
    return pTp;  
}  

线程初始化

[cpp] view plaincopy
TPBOOL tp_init(TpThreadPool *pTp) {  
    int i;  
    int err;  
    TpThreadInfo *pThi;  
  
    initQueue(&pTp->idle_q);  
    pTp->stop_flag = FALSE;  
  
    //create work thread and init work thread info  
    for (i = 0; i < pTp->min_th_num; i++) {  
        pThi = pTp->thread_info +i;  
        pThi->tp_pool = pTp;  
        pThi->is_busy = FALSE;  
        pthread_cond_init(&pThi->thread_cond, NULL);  
        pthread_mutex_init(&pThi->thread_lock, NULL);  
        pThi->proc_fun = def_proc_fun;  
        pThi->th_job = NULL;  
        enQueue(&pTp->idle_q, pThi);  
  
        err = pthread_create(&pThi->thread_id, NULL, tp_work_thread, pThi);  
        if (0 != err) {  
            perror("tp_init: create work thread failed.");  
            clearQueue(&pTp->idle_q);  
            return FALSE;  
        }  
    }  
  
    //create manage thread  
    err = pthread_create(&pTp->manage_thread_id, NULL, tp_manage_thread, pTp);  
    if (0 != err) {  
        clearQueue(&pTp->idle_q);  
        printf("tp_init: creat manage thread failed\n");  
        return FALSE;  
    }  
  
    return TRUE;  
}  


初始线程池中线程数量为min_th_num,对这些线程一一进行初始化;
将这些初始化的空闲线程一一置入空闲队列;

创建管理线程,用于监控线程池的状态,并适当回收多余的线程资源;

 

线程池的关闭和销毁
[cpp] view plaincopy
void tp_close(TpThreadPool *pTp, TPBOOL wait) {  
    unsigned i;  
  
    pTp->stop_flag = TRUE;  
    if (wait) {  
        for (i = 0; i < pTp->cur_th_num; i++) {  
            pthread_cond_signal(&pTp->thread_info[i].thread_cond);  
        }  
        for (i = 0; i < pTp->cur_th_num; i++) {  
            pthread_join(pTp->thread_info[i].thread_id, NULL);  
            pthread_mutex_destroy(&pTp->thread_info[i].thread_lock);  
            pthread_cond_destroy(&pTp->thread_info[i].thread_cond);  
        }  
    } else {  
        //close work thread  
        for (i = 0; i < pTp->cur_th_num; i++) {  
            kill((pid_t)pTp->thread_info[i].thread_id, SIGKILL);  
            pthread_mutex_destroy(&pTp->thread_info[i].thread_lock);  
            pthread_cond_destroy(&pTp->thread_info[i].thread_cond);  
        }  
    }  
    //close manage thread  
    kill((pid_t)pTp->manage_thread_id, SIGKILL);  
    pthread_mutex_destroy(&pTp->tp_lock);  
  
    //free thread struct  
    free(pTp->thread_info);  
    pTp->thread_info = NULL;  
}  

线程池关闭的过程中,可以选择是否对正在处理的任务进行等待,如果是,则会唤醒所有任务,然后等待所有任务执行完成,然后返回;如果不是,则将立即杀死所有线程,然后返回,注意:这可能会导致任务的处理中断而产生错误!
 

任务处理
[cpp] view plaincopy
TPBOOL tp_process_job(TpThreadPool *pTp, process_job proc_fun, TpWorkDesc *job) {  
    TpThreadInfo *pThi ;  
    //fill pTp->thread_info's relative work key  
    pthread_mutex_lock(&pTp->tp_lock);  
    pThi = (TpThreadInfo *) deQueue(&pTp->idle_q);  
    pthread_mutex_unlock(&pTp->tp_lock);  
    if(pThi){  
        pThi->is_busy =TRUE;  
        pThi->proc_fun = proc_fun;  
        pThi->th_job = job;  
        pthread_cond_signal(&pThi->thread_cond);  
        DEBUG("Fetch a thread from pool.\n");  
        return TRUE;  
    }  
    //if all current thread are busy, new thread is created here  
    pthread_mutex_lock(&pTp->tp_lock);  
    pThi = tp_add_thread(pTp);  
    pthread_mutex_unlock(&pTp->tp_lock);  
  
    if(!pThi){  
        DEBUG("The thread pool is full, no more thread available.\n");  
        return FALSE;  
    }  
    DEBUG("No more idle thread, created a new one.\n");  
    pThi->proc_fun = proc_fun;  
    pThi->th_job = job;  
  
    //send cond to work thread  
    pthread_cond_signal(&pThi->thread_cond);  
    return TRUE;  
}  

当一个新任务到达是,线程池首先会检查是否有可用的空闲线程,如果是,则采用才空闲线程进行任务处理并返回TRUE,如果不是,则尝试新建一个线程,并使用该线程对任务进行处理,如果失败则返回FALSE,说明线程池忙碌或者出错。
[cpp] view plaincopy
static void *tp_work_thread(void *arg) {  
    pthread_t curid;//current thread id  
    TpThreadInfo *pTinfo = (TpThreadInfo *) arg;  
  
    //wait cond for processing real job.  
    while (!(pTinfo->tp_pool->stop_flag)) {  
        pthread_mutex_lock(&pTinfo->thread_lock);  
        pthread_cond_wait(&pTinfo->thread_cond, &pTinfo->thread_lock);  
        pthread_mutex_unlock(&pTinfo->thread_lock);  
  
        //process  
        pTinfo->proc_fun(pTinfo->th_job);  
  
        //thread state be set idle after work  
        //pthread_mutex_lock(&pTinfo->thread_lock);  
        pTinfo->is_busy = FALSE;  
        enQueue(&pTinfo->tp_pool->idle_q, pTinfo);  
        //pthread_mutex_unlock(&pTinfo->thread_lock);  
        DEBUG("Job done, I am idle now.\n");  
    }  
}  

上面这个函数是任务处理函数,该函数将始终处理等待唤醒状态,直到新任务到达或者线程销毁时被唤醒,然后调用任务处理回调函数对任务进行处理;当任务处理完成时,则将自己置入空闲队列中,以供下一个任务处理。
[cpp] view plaincopy
TpThreadInfo *tp_add_thread(TpThreadPool *pTp) {  
    int err;  
    TpThreadInfo *new_thread;  
  
    if (pTp->max_th_num <= pTp->cur_th_num)  
        return NULL;  
  
    //malloc new thread info struct  
    new_thread = pTp->thread_info + pTp->cur_th_num;   
  
    new_thread->tp_pool = pTp;  
    //init new thread's cond & mutex  
    pthread_cond_init(&new_thread->thread_cond, NULL);  
    pthread_mutex_init(&new_thread->thread_lock, NULL);  
  
    //init status is busy, only new process job will call this function  
    new_thread->is_busy = TRUE;  
    err = pthread_create(&new_thread->thread_id, NULL, tp_work_thread, new_thread);  
    if (0 != err) {  
        free(new_thread);  
        return NULL;  
    }  
    //add current thread number in the pool.  
    pTp->cur_th_num++;  
  
    return new_thread;  
}  

上面这个函数用于向线程池中添加新的线程,该函数将会在当线程池没有空闲线程可用时被调用。
函数将会新建一个线程,并设置自己的状态为busy(立即就要被用于执行任务)。

线程池管理
线程池的管理主要是监控线程池的整体忙碌状态,当线程池大部分线程处于空闲状态时,管理线程将适当的销毁一定数量的空闲线程,以便减少线程池对系统资源的消耗。

 

这里设计认为,当空闲线程的数量超过线程池线程数量的1/2时,线程池总体处理空闲状态,可以适当销毁部分线程池的线程,以减少线程池对系统资源的开销。

 

线程池状态计算

这里的BUSY_THRESHOLD的值是0.5,也即是当空闲线程数量超过一半时,返回0,说明线程池整体状态为闲,否则返回1,说明为忙。

[cpp] view plaincopy
int tp_get_tp_status(TpThreadPool *pTp) {  
    float busy_num = 0.0;  
    int i;  
  
    //get busy thread number  
    busy_num = pTp->cur_th_num - pTp->idle_q.count;     
  
    DEBUG("Current thread pool status, current num: %u, busy num: %u, idle num: %u\n", pTp->cur_th_num, (unsigned)busy_num, pTp->idle_q.count);  
    //0.2? or other num?  
    if (busy_num / (pTp->cur_th_num) < BUSY_THRESHOLD)  
        return 0;//idle status  
    else  
        return 1;//busy or normal status      
}  

线程的销毁算法
1.      从空闲队列中dequeue一个空闲线程指针,该指针指向线程信息数组的某项,例如这里是p;

2.      销毁该线程

3.      把线程信息数组的最后一项拷贝至位置p

4.      线程池数量减少一,即cur_th_num--

[cpp] view plaincopy
TPBOOL tp_delete_thread(TpThreadPool *pTp) {  
    unsigned idx;  
    TpThreadInfo *pThi;  
    TpThreadInfo tT;  
  
    //current thread num can't < min thread num  
    if (pTp->cur_th_num <= pTp->min_th_num)  
        return FALSE;  
    //pthread_mutex_lock(&pTp->tp_lock);  
    pThi = deQueue(&pTp->idle_q);  
    //pthread_mutex_unlock(&pTp->tp_lock);  
    if(!pThi)  
      return FALSE;  
      
    //after deleting idle thread, current thread num -1  
    pTp->cur_th_num--;  
    memcpy(&tT, pThi, sizeof(TpThreadInfo));  
    memcpy(pThi, pTp->thread_info + pTp->cur_th_num, sizeof(TpThreadInfo));  
  
    //kill the idle thread and free info struct  
    kill((pid_t)tT.thread_id, SIGKILL);  
    pthread_mutex_destroy(&tT.thread_lock);  
    pthread_cond_destroy(&tT.thread_cond);  
  
    return TRUE;  
}  

线程池监控
线程池通过一个管理线程来进行监控,管理线程将会每隔一段时间对线程池的状态进行计算,根据线程池的状态适当的销毁部分线程,减少对系统资源的消耗。

 

[cpp] view plaincopy
static void *tp_manage_thread(void *arg) {  
    TpThreadPool *pTp = (TpThreadPool*) arg;//main thread pool struct instance  
  
    //1?  
    sleep(MANAGE_INTERVAL);  
  
    do {  
        if (tp_get_tp_status(pTp) == 0) {  
            do {  
                if (!tp_delete_thread(pTp))  
                    break;  
            } while (TRUE);  
        }//end for if  
  
        //1?  
        sleep(MANAGE_INTERVAL);  
    } while (!pTp->stop_flag);  
    return NULL;  
}  

程序测试

至此,我们的设计需要使用一个测试程序来进行验证。于是,我们写下这样一段代码。

[cpp] view plaincopy
#include  
#include  
#include "thread_pool.h"  
  
#define THD_NUM 10   
void proc_fun(TpWorkDesc *job){  
    int i;  
    int idx=*(int *)job->arg;  
    printf("Begin: thread %d\n", idx);  
    sleep(3);  
    printf("End:   thread %d\n", idx);  
}  
  
int main(int argc, char **argv){  
    TpThreadPool *pTp= tp_create(5,10);  
    TpWorkDesc pWd[THD_NUM];  
    int i, *idx;  
  
    tp_init(pTp);  
    for(i=0; i < THD_NUM; i++){  
        idx=(int *) malloc(sizeof(int));  
        *idx=i;  
        pWd[i].arg=idx;  
        tp_process_job(pTp, proc_fun, pWd+i);  
        usleep(400000);  
    }  
    //sleep(1);  
    tp_close(pTp, TRUE);  
    free(pTp);  
    printf("All jobs done!\n");  
    return 0;  
}  
源码下载地址:
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