UE4异步编程专题 - 线程池FQueuedThreadPool

1. FQueuedThreadPool & IQueuedWork

FQueuedThreadPool是UE4中抽象出的线程池。线程池由若干个Worker线程，和一个同步队列构成。UE4把同步队列执行的任务抽象为IQueuedWork. 线程池的同步队列，就是一个IQueuedWork的队列了。借用wiki上线程池的图, UE4的FQueuedThreadPool也是如图中所示的结构：

Thread pool

生产者生产IQueuedWork的实例对象。线程池会向生产者提供入队的接口。线程池中的Worker线程都是消费者，会不停地从队列中取出IQueuedWork，并执行work.

下面的代码就是FQueuedThreadPool给用户使用的接口：

class CORE_API FQueuedThreadPool
{
public:// 创建线程池，指定线程数，还有每个worker栈大小及优先级virtual bool Create( uint32 InNumQueuedThreads, uint32 StackSize, EThreadPriority ThreadPriority) = 0;// 销毁线程池，对Task Queue和每个worker线程执行清理操作virtual void Destroy() = 0;// 生产者使用这个接口，向同步队列添加IQueuedWorkvirtual void AddQueuedWork(IQueuedWork* InQueuedWork) = 0;// 生产者使用这个接口，尝试删除一个IQueuedWorkvirtual bool RetractQueuedWork(IQueuedWork* InQueuedWork) = 0;// 获取线程池中worker线程的数目virtual int32 GetNumThreads() const = 0;
};

需要提及的是，RetractQueuedWork接口只能尝试去删除或取消一个work对象。如果work不在队列当中，或者请求删除时已经在执行和执行完成，都无法取消。

IQueuedWork是同步队列中，任务对象的抽象。代码如下：

class IQueuedWork
{
public:virtual void DoThreadedWork() = 0;virtual void Abandon() = 0;
};

IQueuedWork的接口很简单，我们只需要实现代码中的两个接口，分别是任务的执行流程和废弃当前任务的接口。

2. FQueuedThread

FQueuedThread就是线程池worker线程的实现了。它是一个FRunnable的实现类，并内聚了一个FRunnableThread的实例对象。

class FQueuedThread : public FRunnable
{
protected:FRunnableThread* Thread;virtual uint32 Run() override;
};

FQueuedThread实现的Run函数，就是类似上一篇我们实现的MyRunnable的空闲等待的流程。我们回顾一下，实现所需的部件：

一个原子布尔变量作为循环的标识位
一个FEvent用来让线程在无任务可做时挂起，而不占用系统资源；

按照上面的思路，我们继续补完代码：

class FQueuedThread : public FRunnable
{
protected:FEvent*             DoWorkEvent;TAtomic<bool>       TimeToDie;FRunnableThread*    Thread;virtual uint32 Run() override{while(TimeToDie.Load(EMemoryOrder::Relaxed)){DoWorkEvent->Wait();// TODO ... do work}}
};

这样的实现有很严重的缺陷。无穷时间的等待，线程被挂起后，UE4无法获取这些线程的状态了。因此，UE4采用的是等待10ms，再check是否继续等待。

while(TimeToDie.Load(EMemoryOrder::Relaxed))
{bool bContinueWaiting = true; while(bContinueWaiting){DECLARE_SCOPE_CYCLE_COUNTER(...);       // record statusbContinueWaiting = !DoWorkEvent->Wait( 10 );}// TODO ... do work
}

被唤醒后意味着两种情况：

新的任务分配下来，有活干了；
线程池发出清理指令，线程即将退出；

把执行Work的代码加入，如下所示：

class FQueuedThread : public FRunnable
{
protected:FEvent*                 DoWorkEvent;TAtomic<bool>           TimeToDie;FRunnableThread*        Thread;IQueuedWork* volatile   QueuedWork;virtual uint32 Run() override{while(TimeToDie.Load(EMemoryOrder::Relaxed)){bool bContinueWaiting = true; while(bContinueWaiting){DECLARE_SCOPE_CYCLE_COUNTER(...);       // record statusbContinueWaiting = !DoWorkEvent->Wait( 10 );}IQueuedWork* LocalQueuedWork = QueuedWork;QueuedWork = nullptr;FPlatformMisc::MemoryBarrier();check(LocalQueuedWork || TimeToDie.Load(EMemoryOrder::Relaxed));while (LocalQueuedWork){LocalQueuedWork->DoThreadedWork();LocalQueuedWork = OwningThreadPool->ReturnToPoolOrGetNextJob(this);} }return 0；}
};

QueuedWork就是需要执行的work对象的指针，它被volatile修饰，说明还有其他的线程会修改这个指针，防止编译器生成直接从缓存中读取代码的优化。check方法，明显地指明了被唤醒时只有前面提及的两种情况。如果Work不为空，则调用IQueuedWork的DoThreadedWork接口。任务完成后的下一行代码，就是向所属线程池的同步队列再申请一个任务。如果队列中有任务，则继续执行新的任务。若队列已经为空，则将线程归还到线程池。线程池有一个QueuedThreads成员，记录线程池中的空闲的线程。

个人觉得UE4在check之后的实现略有不妥。在同时有Work要执行和TimeToDie为true时，UE4选择了继续执行完Work再退出。笔者认为TimeToDie为true时，应该放弃执行当前的work，直接退出。当然，这里不同的策略差别也不大，也不重要。

还有一个重要的函数，就是FQueuedThread::DoWork. 它是由生产者调用线程池的AddQueuedWork，线程池对象在进行调度的时候调用的。DoWork函数代码如下：

void FQueuedThread::DoWork(IQueuedWork* InQueuedWork)
{// ...QueuedWork = InQueuedWork;FPlatformMisc::MemoryBarrier();// Tell the thread to wake up and do its jobDoWorkEvent->Trigger();
}

值得提及的是两个函数中的内存屏障代码，FPlatformMisc::MemoryBarrier(). DoWork中会对QueuedWork进行写操作，而在Run函数中会对QueuedWork进行读操作，而且DoWork与Run发生在不同的线程，这样就产生了竞争条件（race condition）. 一般的情况是上一个mutex lock，而UE4却没有，只使用了内存屏障。原因是这个竞争条件发生的时候，有且仅有一个线程写，有且仅有一个线程读；并且DoWork中的DoWorkEvent->Trigger()，发出一个事件告知已经准备好一个IQueuedWork，一定发生在Run函数中读取IQueuedWork之前。所以UE4使用内存屏障来保证顺序一致性，让Run函数从另外一个线程读取IQueuedWork时，能够读取到已经同步过后的值。关于无锁编程，大家感兴趣可以上purecpp的相关专题一起讨论。

3. FQueuedThreadPoolBase

再来看看线程池的实现类。FQueuedThreadPool的实现类只有一个，就是FQueuedThreadPoolBase类。我们从它的数据成员，可以很清晰地可以看出，该线程池的结构与第一节的所示的线程池的结构图是基本吻合的：

class FQueuedThreadPoolBase : public FQueuedThreadPool
{
protected:/** The work queue to pull from. */TArray<IQueuedWork*> QueuedWork;/** The thread pool to dole work out to. */TArray<FQueuedThread*> QueuedThreads;/** All threads in the pool. */TArray<FQueuedThread*> AllThreads;/** The synchronization object used to protect access to the queued work. */FCriticalSection* SynchQueue;/** If true, indicates the destruction process has taken place. */bool TimeToDie;// ....
}

数组QueuedWork和互斥锁SynchQueue，组成了一个线程安全的同步队列。AllThreads管理着全部的worker线程。TimeToDie是标识线程池生命状态，如果置为true，线程池的清理工作正在进行，或者已经进行完毕了。还有一个QueuedThreads成员，它管理着空闲的线程，也就是上一节FQueuedThread归还自己到线程池的空闲队列。

线程池的创建，会依次创建每个worker线程。线程池销毁的时候，会依次向每个worker线程发出销毁的命令，并等待线程退出。线程池的销毁会放弃还未执行的work. 创建和销毁的流程较为简单，就不详细展开了。后文着重讨论生产者向线程池添加work的流程。

生产者创建了一个IQueuedWork实现对象后，会调用第一节提及的AddQueuedWork接口，向线程池添加要执行的work. UE4控制线程池添加work的流程，实现的较为精细。它将线程池的状态分成了两类，来分别处理。这两种状态分别为： 1. 线程池中还有空闲线程，即QueuedThreads不为空，并且QueuedWork一定为空； 2. 线程池中已经没有空闲的线程，即QueuedThreads为空；

第一个情景的处理策略是从空闲线程数组中，取一个线程，并直接唤醒该线程执行由生产者当前传递进来的work. 第二个情景，较为简单，由于没有空闲线程可用，就直接将work入队即可。

void FQueuedThreadPoolBase::AddQueuedWork(IQueuedWork* InQueuedWork) /*override*/
{// ....FQueuedThread* Thread = nullptr;{FScopeLock sl(SynchQueue);const int32 AvailableThreadCount = QueuedThreads.Num();if (AvailableThreadCount == 0){// situation 2：QueuedWork.Add(InQueuedWork);return;}// situation 1：const int32 ThreadIndex = AvailableThreadCount - 1;Thread = QueuedThreads[ThreadIndex];QueuedThreads.RemoveAt(ThreadIndex, 1, false);}Thread->DoWork(InQueuedWork);
}

UE4处理情景一的实现，有两个优点。

第一，UE4并不是简单地让每个线程抢占任务队列中work. 而是在当有空闲线程的时候，小心地获取一个空闲线程，指定work并唤醒这一个线程。这样做的好处，是不会出现惊群效应，而让CPU浪费时间做无用的线程调度。

第二，从代码中可以看出，UE4每次获取空闲线程都是取数组的最末尾的空闲线程，也就是最近归还的work线程。这样做的好处是，最近归还的线程意味着它相比其他空闲线程是更近期使用过的。它有更大的概率，操作系统还未对它进行context切换，或者它的context数据还留存在缓存当中。优先使用该线程，就有更大的概率获取较为低廉的线程切换开销。

最后，线程池为worker线程提供的，从线程池获取下一个可用的work和归还空闲线程的接口，ReturnToPoolOrGetNextJob函数:

IQueuedWork* FQueuedThreadPoolBase::ReturnToPoolOrGetNextJob(FQueuedThread* InQueuedThread) /*override*/
{// ... omitted codesIQueuedWork* Work = nullptr;FScopeLock sl(SynchQueue);// ... omitted codesif (QueuedWork.Num() > 0){Work = QueuedWork[0];QueuedWork.RemoveAt(0, 1, false);}if (!Work)QueuedThreads.Add(InQueuedThread);return Work;
}

当任务队列中还有work时，就从队列头部取出一个，是一个FIFO的同步队列。当任务队列为空，无法取出新的任务时，线程就将自己归还给到线程池中，标记为空闲队列。UE4这里实现的不太妥当的就是QueuedWork是一个TArray<IQueuedWork*>数组。数组对非尾部元素的Remove操作，是会对数组元素进行移动的。虽然移动指针并不是很昂贵，而且UE4也禁止了Remove导致的shrink操作，但开销依然是存在的。这里最好的方案是使用一个可以扩容的环状队列。

4. 小结

本文讨论了UE4中线程池的实现细节。线程池FQueuedThreadPool的实现是由一个元素为IQueuedWork*的同步队列，及若干个worker线程所组成。UE4中的线程池，将IQueuedWork队列化，并用FIFO的调度策略。线程池为IQueuedWork的生产者提供了入队接口，并为worker线程（消费者）提供了获取出队接口。UE4对线程池的性能优化也做了不少的工作。例如避免线程池抢占IQueuedWork时可能会发生的惊群现象，以及取最近使用的线程，还有无锁编程等。

专题的下一篇，我们将讨论UE4中的AsyncTask. 这也是UE4迈向现代C++设计的有力步伐。