【linux线程(四)】初识线程池手撕线程池

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Linux线程池

  • 1. 前言
  • 2. 什么是池化技术?
  • 3. 线程池详解
  • 4. 手撕线程池
  • 5. 初识读写锁
  • 6. 如何快速实现简易的线程池?
  • 7. 总结以及拓展

1. 前言

线程池在校招面试阶段经常被要求手撕,可见它的重要性如何.

本章重点:

本篇文章会先介绍什么是池化技术,然后详细讲解什么是线程池,以及如何手撕线程池,并且会给大家拓展如何将线程池设计为单例模式,以及读写锁的使用方法,最后会讲解如何在校招中遇见手撕线程池时,快速的写出代码

2. 什么是池化技术?

大家可能听说过线程池,进程池,对象池,甚至是内存池等概念,那么到底什么是池?它们有什么共同特质?

池化技术:

池化技术指的是提前准备一些资源，在需要时可以重复使用这些预先准备的资源 .

说白了,就是线程池就是在程序启动时就创建多个线程来备用,同理对象池和内存池也就是创建多个对象/空间备用

池化技术的优点:

  • 提高性能。通过重用资源，减少了创建和销毁资源的时间，从而提高了资源的使用效率
  • 降低系统开销, 避免了频繁地向操作系统申请和释放资源的开销
  • 简化代码。通过封装资源管理逻辑，使得应用程序代码更简洁易懂

3. 线程池详解

什么是线程池:

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

线程池的运用场景:

  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。
  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，短时间内产生大量线程可能使内存到达极限，出现错误.

线程池的使用方法:

  1. 创建固定数量的线程,循环的去任务队列中拿任务
  2. 获取到任务后,不同线程执行不同任务的代码
  3. 任务结束,此线程继续循环的去任务队列拿任务

其次,由于线程池是会在多线程下跑的
所以将它设计为单例模型最好

除此之外,根据上一节学习到的内容,可以窥探到,线程池的本质其实就是一个生产者消费者模型,所以也会涉及到加解锁的问题,所以在类中我们需要两把锁,一把是用于单例模式的互斥锁,还有一把是用于生产者消费者之间的互斥锁

4. 手撕线程池

在写线程池的代码之前,需要先写一个关于单个线程的类,并且在线程池中,用数组存储所有的线程类

thread.hpp文件:

typedef void *(*fun_t)(void *);//线程要执行的函数是参数和返回值都为void*
class ThreadData
{
public:void *args_;//线程拥有的数据std::string name_;//线程的名字
};
class Thread
{
public:Thread(int num, fun_t callback, void *args) : func_(callback){char nameBuffer[64];snprintf(nameBuffer, sizeof nameBuffer, "Thread-%d", num);name_ = nameBuffer;tdata_.args_ = args;tdata_.name_ = name_;}void start(){pthread_create(&tid_, nullptr, func_, (void*)&tdata_);//将线程名和参数都传给线程函数}void join(){pthread_join(tid_, nullptr);}std::string name(){return name_;}~Thread(){}
private:std::string name_;//线程名字fun_t func_;//线程要执行的函数ThreadData tdata_;//线程的名字和数据pthread_t tid_;//线程ID
};

除此之外,还需要写一个锁相关的类
利用对象生命周期管理资源:

lockguard.hpp文件:

class Mutex
{
public:Mutex(pthread_mutex_t *mtx):pmtx_(mtx){}void lock() {// std::cout << "要进行加锁" << std::endl;pthread_mutex_lock(pmtx_);}void unlock(){// std::cout << "要进行解锁" << std::endl;pthread_mutex_unlock(pmtx_);}~Mutex(){}
private:pthread_mutex_t *pmtx_;
};
// RAII风格的加锁方式
class lockGuard
{
public:lockGuard(pthread_mutex_t *mtx):mtx_(mtx){mtx_.lock();}~lockGuard(){mtx_.unlock();}
private:Mutex mtx_;
};

最后再看看看主要的函数:

在ThreadPool.hpp文件中:

const int g_thread_num = 3;//创建的线程数量
// 本质是: 生产消费模型
template <class T>
class ThreadPool
{
public:pthread_mutex_t *getMutex(){return &lock;}bool isEmpty()//判断队列是否为空{return task_queue_.empty();}void waitCond(){pthread_cond_wait(&cond, &lock);}T getTask()//拿到队列中的任务{T t = task_queue_.front();task_queue_.pop();return t;}private:ThreadPool(int thread_num = g_thread_num) : num_(thread_num){pthread_mutex_init(&lock, nullptr);pthread_cond_init(&cond, nullptr);for (int i = 1; i <= num_; i++){threads_.push_back(new Thread(i, routine, this));//将创建出来的线程用数组管理}}ThreadPool(const ThreadPool<T> &other) = delete; //禁用拷贝构造函数const ThreadPool<T> &operator=(const ThreadPool<T> &other) = delete; //禁用运算符重载=
public:// 考虑一下多线程使用单例的过程static ThreadPool<T> *getThreadPool(int num = g_thread_num){// 可以有效减少未来必定要进行加锁检测的问题// 拦截大量的在已经创建好单例的时候，剩余线程请求单例的而直接访问锁的行为if (nullptr == thread_ptr) {lockGuard lockguard(&mutex);// 但是，未来任何一个线程想获取单例，都必须调用getThreadPool接口// 但是，一定会存在大量的申请和释放锁的行为，这个是无用且浪费资源的if (nullptr == thread_ptr)thread_ptr = new ThreadPool<T>(num);}return thread_ptr;}// 1. run()void run()//让线程池跑起来,也就是创建出多个线程{for (auto &iter : threads_){iter->start();std::cout << iter->name() << " 启动成功" << std::endl;}}// 线程池本质也是一个生产消费模型// void *routine(void *args)// 消费过程static void *routine(void *args)//线程拿到任务后要执行的函数{ThreadData *td = (ThreadData *)args;ThreadPool<T> *tp = (ThreadPool<T> *)td->args_;while (true){T task;{lockGuard lockguard(tp->getMutex());//去队列中拿任务前需要先加锁while (tp->isEmpty())//若队列为空,则使用条件变量进行等待tp->waitCond();// 读取任务task = tp->getTask(); // 任务队列是共享的-> 将任务从共享，拿到自己的私有空间}//上来加上一对花括号的原因是让锁对象出了作用域自动销毁//此处来处理任务}}void pushTask(const T &task){lockGuard lockguard(&lock);//插入任务时,也要加锁,队列是临界资源task_queue_.push(task);pthread_cond_signal(&cond);//插入成功后,直接使用条件变量唤醒线程来拿任务}~ThreadPool(){for (auto &iter : threads_){iter->join();delete iter;}pthread_mutex_destroy(&lock);pthread_cond_destroy(&cond);}
private:std::vector<Thread *> threads_;int num_;std::queue<T> task_queue_;static ThreadPool<T> *thread_ptr;static pthread_mutex_t mutex;pthread_mutex_t lock;pthread_cond_t cond;
};
template <typename T>
ThreadPool<T> *ThreadPool<T>::thread_ptr = nullptr;
template <typename T>
pthread_mutex_t ThreadPool<T>::mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

5. 初识读写锁

其实出了互斥锁外,还有其他种类的锁:

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而将要介绍的锁是读写锁

在编写多线程的时候，有一种情况是十分常见的。那就是，有些公共数据修改的机会比较少。相比较改写，它们读的机会反而高的多。通常而言，在读的过程中，往往伴随着查找的操作，中间耗时很长。给这种代码段加锁，会极大地降低我们程序的效率。那么有没有一种方法，可以专门处理这种多读少写的情况呢？ 有，那就是读写锁。

说白了就是一把锁,可以让只读的线程无限制的进入,而只对要对数据做修改的线程加锁

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读写锁的操作方法:

  1. 初始化锁
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  2. 销毁锁
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  3. 加解锁

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6. 如何快速实现简易的线程池?

可以发现,上面的代码量是巨大的,所以在实际面试中遇见了,多半是记不住这么多代码的,所以这里我给大家打个样,写一个简易版的线程池,用来应对校招中需要手撕的场景:

首先需要简化的是,直接用一个整数代表要创建线程的数量,而不使用数组存储.并且简化线程要执行的函数,情况如下: 

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<mutex>
#include<queue>
#include<functional>
using namespace std;
pthread_mutex_t MTX = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//用于初始化单例模式中要使用的锁
typedef function<void(int)> func_t;
void myprintf(int x)//模拟线程要执行的函数
{cout<<x<<" "<<endl;
}
class Task   //模拟线程要执行的任务
{
public:Task(func_t func = myprintf):_func(func){}
public:func_t _func;
};
class ThreadPool
{
public:static ThreadPool* GetInstance(){if(_singleton == nullptr){pthread_mutex_lock(&MTX);if(_singleton == nullptr){_singleton = new ThreadPool();_singleton->InitThreadPool();}pthread_mutex_unlock(&MTX);}return _singleton;}void InitThreadPool()//启动线程池{for(int i=0;i<_num;i++){pthread_t tid;if(pthread_create(&tid,nullptr,Routine,this)!=0)cout<<"线程启动失败"<<endl;}cout<<"线程池启动成功"<<endl;}static void* Routine(void* args){ThreadPool* td = (ThreadPool*)args;while(1){//拿到任务区执行Task t;pthread_mutex_lock(&td->_mtx);//加锁while(td->TaskQueueIsEmpty())//若资源不就绪就等待pthread_cond_wait(&td->_cond,&td->_mtx);cout<<"开始执行任务"<<endl;td->Pop(t);//任务队列的任务减一pthread_mutex_unlock(&td->_mtx);t._func(10);cout<<"一次任务执行完毕"<<endl;}}void Push(Task t){pthread_mutex_lock(&_mtx);_q.push(t);pthread_mutex_unlock(&_mtx);pthread_cond_signal(&_cond);cout<<"任务push成功"<<endl;}void Pop(Task& t){t = _q.front();_q.pop();}bool TaskQueueIsEmpty(){return _q.size()==0?true:false;}
private:ThreadPool(int num = 10):_num(num){pthread_mutex_init(&_mtx,nullptr);pthread_cond_init(&_cond,nullptr);}ThreadPool(const ThreadPool& td) = delete;
public:static ThreadPool* _singleton;queue<Task> _q;int _num;//创建线程的数量pthread_mutex_t _mtx;pthread_cond_t _cond;
};
ThreadPool* ThreadPool::_singleton = nullptr;

上面是线程池的简易版,本人也是硬背的这段代码来应对手撕

7. 总结以及拓展

大家可能现在理解了线程的重要性,像12305铁路系统这种软件,它一秒钟可能会有百万个人同时上线,如果没有像线程池或者其他技术支持,那么一旦这么多人登陆12305软件,服务器肯定会直接崩溃,当然这里只是举一个线程池实际运用的例子,实际生活中的例子肯定不会像直接使用一个线程池这么简单,所以,respect!

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