手寫線程池 - C語言版
1. 線程池原理
我們使用線程的時候就去創(chuàng)建一個線程，這樣實現(xiàn)起來非常簡便，但是就會有一個問題：如果并發(fā)的線程數(shù)量很多，并且每個線程都是執(zhí)行一個時間很短的任務就結束了，這樣頻繁創(chuàng)建線程就會大大降低系統(tǒng)的效率，因為頻繁創(chuàng)建線程和銷毀線程需要時間。
那么有沒有一種辦法使得線程可以復用，就是執(zhí)行完一個任務，并不被銷毀，而是可以繼續(xù)執(zhí)行其他的任務呢？
線程池是一種多線程處理形式，處理過程中將任務添加到隊列，然后在創(chuàng)建線程后自動啟動這些任務。線程池線程都是后臺線程。每個線程都使用默認的堆棧大小，以默認的優(yōu)先級運行，并處于多線程單元中。如果某個線程在托管代碼中空閑（如正在等待某個事件）, 則線程池將插入另一個輔助線程來使所有處理器保持繁忙。如果所有線程池線程都始終保持繁忙，但隊列中包含掛起的工作，則線程池將在一段時間后創(chuàng)建另一個輔助線程但線程的數(shù)目永遠不會超過最大值。超過最大值的線程可以排隊，但他們要等到其他線程完成后才啟動。
在各個編程語言的語種中都有線程池的概念，并且很多語言中直接提供了線程池，作為程序猿直接使用就可以了，下面給大家介紹一下線程池的實現(xiàn)原理：
線程池的組成主要分為 3 個部分，這三部分配合工作就可以得到一個完整的線程池：
任務隊列，存儲需要處理的任務，由工作的線程來處理這些任務
通過線程池提供的 API 函數(shù)，將一個待處理的任務添加到任務隊列，或者從任務隊列中刪除 已處理的任務會被從任務隊列中刪除 線程池的使用者，也就是調(diào)用線程池函數(shù)往任務隊列中添加任務的線程就是生產(chǎn)者線程
工作的線程（任務隊列任務的消費者） ，N個
線程池中維護了一定數(shù)量的工作線程，他們的作用是是不停的讀任務隊列，從里邊取出任務并處理 工作的線程相當于是任務隊列的消費者角色， 如果任務隊列為空，工作的線程將會被阻塞 (使用條件變量 / 信號量阻塞) 如果阻塞之后有了新的任務，由生產(chǎn)者將阻塞解除，工作線程開始工作
管理者線程（不處理任務隊列中的任務），1個
它的任務是周期性的對任務隊列中的任務數(shù)量以及處于忙狀態(tài)的工作線程個數(shù)進行檢測 當任務過多的時候，可以適當?shù)膭?chuàng)建一些新的工作線程 當任務過少的時候，可以適當?shù)匿N毀一些工作的線程
2. 任務隊列
// 任務結構體
typedef struct Task
{
void (*function)(void* arg);
void* arg;
}Task;
3. 線程池定義
// 線程池結構體
struct ThreadPool
{
// 任務隊列
Task* taskQ;
int queueCapacity; // 容量
int queueSize; // 當前任務個數(shù)
int queueFront; // 隊頭 -> 取數(shù)據(jù)
int queueRear; // 隊尾 -> 放數(shù)據(jù)
pthread_t managerID; // 管理者線程ID
pthread_t *threadIDs; // 工作的線程ID
int minNum; // 最小線程數(shù)量
int maxNum; // 最大線程數(shù)量
int busyNum; // 忙的線程的個數(shù)
int liveNum; // 存活的線程的個數(shù)
int exitNum; // 要銷毀的線程個數(shù)
pthread_mutex_t mutexPool; // 鎖整個的線程池
pthread_mutex_t mutexBusy; // 鎖busyNum變量
pthread_cond_t notFull; // 任務隊列是不是滿了
pthread_cond_t notEmpty; // 任務隊列是不是空了
int shutdown; // 是不是要銷毀線程池, 銷毀為1, 不銷毀為0
};
4. 頭文件聲明
#ifndef _THREADPOOL_H
#define _THREADPOOL_H
typedef struct ThreadPool ThreadPool;
// 創(chuàng)建線程池并初始化
ThreadPool *threadPoolCreate(int min, int max, int queueSize);
// 銷毀線程池
int threadPoolDestroy(ThreadPool* pool);
// 給線程池添加任務
void threadPoolAdd(ThreadPool* pool, void(*func)(void*), void* arg);
// 獲取線程池中工作的線程的個數(shù)
int threadPoolBusyNum(ThreadPool* pool);
// 獲取線程池中活著的線程的個數(shù)
int threadPoolAliveNum(ThreadPool* pool);
//////////////////////
// 工作的線程(消費者線程)任務函數(shù)
void* worker(void* arg);
// 管理者線程任務函數(shù)
void* manager(void* arg);
// 單個線程退出
void threadExit(ThreadPool* pool);
#endif // _THREADPOOL_H
5. 源文件定義
ThreadPool* threadPoolCreate(int min, int max, int queueSize)
{
ThreadPool* pool = (ThreadPool*)malloc(sizeof(ThreadPool));
do
{
if (pool == NULL)
{
printf("malloc threadpool fail...\n");
break;
}
pool->threadIDs = (pthread_t*)malloc(sizeof(pthread_t) * max);
if (pool->threadIDs == NULL)
{
printf("malloc threadIDs fail...\n");
break;
}
memset(pool->threadIDs, 0, sizeof(pthread_t) * max);
pool->minNum = min;
pool->maxNum = max;
pool->busyNum = 0;
pool->liveNum = min; // 和最小個數(shù)相等
pool->exitNum = 0;
if (pthread_mutex_init(&pool->mutexPool, NULL) != 0 ||
pthread_mutex_init(&pool->mutexBusy, NULL) != 0 ||
pthread_cond_init(&pool->notEmpty, NULL) != 0 ||
pthread_cond_init(&pool->notFull, NULL) != 0)
{
printf("mutex or condition init fail...\n");
break;
}
// 任務隊列
pool->taskQ = (Task*)malloc(sizeof(Task) * queueSize);
pool->queueCapacity = queueSize;
pool->queueSize = 0;
pool->queueFront = 0;
pool->queueRear = 0;
pool->shutdown = 0;
// 創(chuàng)建線程
pthread_create(&pool->managerID, NULL, manager, pool);
for (int i = 0; i < min; ++i)
{
pthread_create(&pool->threadIDs[i], NULL, worker, pool);
}
return pool;
} while (0);
// 釋放資源
if (pool && pool->threadIDs) free(pool->threadIDs);
if (pool && pool->taskQ) free(pool->taskQ);
if (pool) free(pool);
return NULL;
}
int threadPoolDestroy(ThreadPool* pool)
{
if (pool == NULL)
{
return -1;
}
// 關閉線程池
pool->shutdown = 1;
// 阻塞回收管理者線程
pthread_join(pool->managerID, NULL);
// 喚醒阻塞的消費者線程
for (int i = 0; i < pool->liveNum; ++i)
{
pthread_cond_signal(&pool->notEmpty);
}
// 釋放堆內(nèi)存
if (pool->taskQ)
{
free(pool->taskQ);
}
if (pool->threadIDs)
{
free(pool->threadIDs);
}
pthread_mutex_destroy(&pool->mutexPool);
pthread_mutex_destroy(&pool->mutexBusy);
pthread_cond_destroy(&pool->notEmpty);
pthread_cond_destroy(&pool->notFull);
free(pool);
pool = NULL;
return 0;
}
void threadPoolAdd(ThreadPool* pool, void(*func)(void*), void* arg)
{
pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
while (pool->queueSize == pool->queueCapacity && !pool->shutdown)
{
// 阻塞生產(chǎn)者線程
pthread_cond_wait(&pool->notFull, &pool->mutexPool);
}
if (pool->shutdown)
{
pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
return;
}
// 添加任務
pool->taskQ[pool->queueRear].function = func;
pool->taskQ[pool->queueRear].arg = arg;
pool->queueRear = (pool->queueRear + 1) % pool->queueCapacity;
pool->queueSize++;
pthread_cond_signal(&pool->notEmpty);
pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
}
int threadPoolBusyNum(ThreadPool* pool)
{
pthread_mutex_lock(&pool->mutexBusy);
int busyNum = pool->busyNum;
pthread_mutex_unlock(&pool->mutexBusy);
return busyNum;
}
int threadPoolAliveNum(ThreadPool* pool)
{
pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
int aliveNum = pool->liveNum;
pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
return aliveNum;
}
void* worker(void* arg)
{
ThreadPool* pool = (ThreadPool*)arg;
while (1)
{
pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
// 當前任務隊列是否為空
while (pool->queueSize == 0 && !pool->shutdown)
{
// 阻塞工作線程
pthread_cond_wait(&pool->notEmpty, &pool->mutexPool);
// 判斷是不是要銷毀線程
if (pool->exitNum > 0)
{
pool->exitNum--;
if (pool->liveNum > pool->minNum)
{
pool->liveNum--;
pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
threadExit(pool);
}
}
}
// 判斷線程池是否被關閉了
if (pool->shutdown)
{
pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
threadExit(pool);
}
// 從任務隊列中取出一個任務
Task task;
task.function = pool->taskQ[pool->queueFront].function;
task.arg = pool->taskQ[pool->queueFront].arg;
// 移動頭結點
pool->queueFront = (pool->queueFront + 1) % pool->queueCapacity;
pool->queueSize--;
// 解鎖
pthread_cond_signal(&pool->notFull);
pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
printf("thread %ld start working...\n", pthread_self());
pthread_mutex_lock(&pool->mutexBusy);
pool->busyNum++;
pthread_mutex_unlock(&pool->mutexBusy);
task.function(task.arg);
free(task.arg);
task.arg = NULL;
printf("thread %ld end working...\n", pthread_self());
pthread_mutex_lock(&pool->mutexBusy);
pool->busyNum--;
pthread_mutex_unlock(&pool->mutexBusy);
}
return NULL;
}
void* manager(void* arg)
{
ThreadPool* pool = (ThreadPool*)arg;
while (!pool->shutdown)
{
// 每隔3s檢測一次
sleep(3);
// 取出線程池中任務的數(shù)量和當前線程的數(shù)量
pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
int queueSize = pool->queueSize;
int liveNum = pool->liveNum;
pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
// 取出忙的線程的數(shù)量
pthread_mutex_lock(&pool->mutexBusy);
int busyNum = pool->busyNum;
pthread_mutex_unlock(&pool->mutexBusy);
// 添加線程
// 任務的個數(shù)>存活的線程個數(shù) && 存活的線程數(shù)<最大線程數(shù)
if (queueSize > liveNum && liveNum < pool->maxNum)
{
pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
int counter = 0;
for (int i = 0; i < pool->maxNum && counter < NUMBER
&& pool->liveNum < pool->maxNum; ++i)
{
if (pool->threadIDs[i] == 0)
{
pthread_create(&pool->threadIDs[i], NULL, worker, pool);
counter++;
pool->liveNum++;
}
}
pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
}
// 銷毀線程
// 忙的線程*2 < 存活的線程數(shù) && 存活的線程>最小線程數(shù)
if (busyNum * 2 < liveNum && liveNum > pool->minNum)
{
pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
pool->exitNum = NUMBER;
pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
// 讓工作的線程自殺
for (int i = 0; i < NUMBER; ++i)
{
pthread_cond_signal(&pool->notEmpty);
}
}
}
return NULL;
}
void threadExit(ThreadPool* pool)
{
pthread_t tid = pthread_self();
for (int i = 0; i < pool->maxNum; ++i)
{
if (pool->threadIDs[i] == tid)
{
pool->threadIDs[i] = 0;
printf("threadExit() called, %ld exiting...\n", tid);
break;
}
}
pthread_exit(NULL);
}
6. 測試代碼
void taskFunc(void* arg)
{
int num = *(int*)arg;
printf("thread %ld is working, number = %d\n",
pthread_self(), num);
sleep(1);
}
int main()
{
// 創(chuàng)建線程池
ThreadPool* pool = threadPoolCreate(3, 10, 100);
for (int i = 0; i < 100; ++i)
{
int* num = (int*)malloc(sizeof(int));
*num = i + 100;
threadPoolAdd(pool, taskFunc, num);
}
sleep(30);
threadPoolDestroy(pool);
return 0;
}
文章鏈接: https://subingwen.cn/linux/threadpool/#1-%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E6%B1%A0%E5%8E%9F%E7%90%86
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