Linux/C++简单线程池实现 了解Java语言对于多线程的支持多丰富

我们知道Java语言对于多线程的支持十分丰富，JDK本身提供了很多性能优良的库，包括ThreadPoolExecutor和ScheduleThreadPoolExecutor等。C++11中的STL也提供了std:thread（然而我还没有看，这里先占个坑）还有很多第三方库的实现。这里我重复“造轮子”的目的还是为了深入理解C++和Linux线程基础概念，主要以学习的目的。

首先，为什么要使用线程池。因为线程的创建、和清理都是需要耗费系统资源的。我们知道Linux中线程实际上是由轻量级进程实现的，相对于纯理论上的线程这个开销还是有的。假设某个线程的创建、运行和销毁的时间分别为T1、T2、T3，当T1+T3的时间相对于T2不可忽略时，线程池的就有必要引入了，尤其是处理数百万级的高并发处理时。线程池提升了多线程程序的性能，因为线程池里面的线程都是现成的而且能够重复使用，我们不需要临时创建大量线程，然后在任务结束时又销毁大量线程。一个理想的线程池能够合理地动态调节池内线程数量，既不会因为线程过少而导致大量任务堆积，也不会因为线程过多了而增加额外的系统开销。

其实线程池的原理非常简单，它就是一个非常典型的生产者消费者同步问题。根据刚才描述的线程池的功能，可以看出线程池至少有两个主要动作，一个是主程序不定时地向线程池添加任务，另一个是线程池里的线程领取任务去执行。且不论任务和执行任务是个什么概念，但是一个任务肯定只能分配给一个线程执行。这样就可以简单猜想线程池的一种可能的架构了：主程序执行入队操作，把任务添加到一个队列里面；池子里的多个工作线程共同对这个队列试图执行出队操作，这里要保证同一时刻只有一个线程出队成功，抢夺到这个任务，其他线程继续共同试图出队抢夺下一个任务。所以在实现线程池之前，我们需要一个队列。这里的生产者就是主程序，生产任务（增加任务），消费者就是工作线程，消费任务（执行、减少任务）。因为这里涉及到多个线程同时访问一个队列的问题，所以我们需要互斥锁来保护队列，同时还需要条件变量来处理主线程通知任务到达、工作线程抢夺任务的问题。

一般来说实现一个线程池主要包括以下4个组成部分：

1. 线程管理器：用于创建并管理线程池。
2. 工作线程：线程池中实际执行任务的线程。在初始化线程时会预先创建好固定数目的线程在池中，这些初始化的线程一般处于空闲状态。
3. 任务接口：每个任务必须实现的接口。当线程池的任务队列中有可执行任务时，被空间的工作线程调去执行（线程的闲与忙的状态是通过互斥量实现的），把任务抽象出来形成一个接口，可以做到线程池与具体的任务无关。
4. 任务队列：用来存放没有处理的任务。提供一种缓冲机制。实现这种结构有很多方法，常用的有队列和链表结构。

流程图如下：

ool.h

#ifndef __THREAD_POOL_H
#define __THREAD_POOL_H
#include <vector>
#include <string>
#include <pthread.h>
using namespace std;
/*执行任务的类：设置任务数据并执行*/
class CTask {
protected:
 string m_strTaskName; //任务的名称
 void* m_ptrData; //要执行的任务的具体数据
public:
 CTask() = default;
 CTask(string &taskName): m_strTaskName(taskName), m_ptrData(NULL) {}
 virtual int Run() = 0;
 void setData(void* data); //设置任务数据
 
 virtual ~CTask() {}
 
};
/*线程池管理类*/
class CThreadPool {
private:
 static vector<CTask*> m_vecTaskList; //任务列表
 static bool shutdown; //线程退出标志
 int m_iThreadNum; //线程池中启动的线程数
 pthread_t *pthread_id;
 
 static pthread_mutex_t m_pthreadMutex; //线程同步锁
 static pthread_cond_t m_pthreadCond; //线程同步条件变量
 
protected:
 static void* ThreadFunc(void *threadData); //新线程的线程回调函数
 static int MoveToIdle(pthread_t tid); //线程执行结束后，把自己放入空闲线程中
 static int MoveToBusy(pthread_t tid); //移入到忙碌线程中去
 int Create(); //创建线程池中的线程
 
public:
 CThreadPool(int threadNum);
 int AddTask(CTask *task); //把任务添加到任务队列中
 int StopAll(); //使线程池中的所有线程退出
 int getTaskSize(); //获取当前任务队列中的任务数
};
#endif

2 thread_pool.cpp

#include "thread_pool.h"
#include <cstdio>
void CTask::setData(void* data) {
 m_ptrData = data;
}
//静态成员初始化
vector<CTask*> CThreadPool::m_vecTaskList;
bool CThreadPool::shutdown = false;
pthread_mutex_t CThreadPool::m_pthreadMutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t CThreadPool::m_pthreadCond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
//线程管理类构造函数
CThreadPool::CThreadPool(int threadNum) {
 this->m_iThreadNum = threadNum;
 printf("I will create %d threads.\n", threadNum);
 Create();
}
//线程回调函数
void* CThreadPool::ThreadFunc(void* threadData) {
 pthread_t tid = pthread_self();
 while(1)
 {
 pthread_mutex_lock(&m_pthreadMutex);
 //如果队列为空，等待新任务进入任务队列
 while(m_vecTaskList.size() == 0 && !shutdown)
 pthread_cond_wait(&m_pthreadCond, &m_pthreadMutex);
 
 //关闭线程
 if(shutdown)
 {
 pthread_mutex_unlock(&m_pthreadMutex);
 printf("[tid: %lu]\texit\n", pthread_self());
 pthread_exit(NULL);
 }
 
 printf("[tid: %lu]\trun: ", tid);
 vector<CTask*>::iterator iter = m_vecTaskList.begin();
 //取出一个任务并处理之
 CTask* task = *iter;
 if(iter != m_vecTaskList.end())
 {
 task = *iter;
 m_vecTaskList.erase(iter);
 }
 
 pthread_mutex_unlock(&m_pthreadMutex);
 
 task->Run(); //执行任务
 printf("[tid: %lu]\tidle\n", tid);
 
 }
 
 return (void*)0;
}
//往任务队列里添加任务并发出线程同步信号
int CThreadPool::AddTask(CTask *task) { 
 pthread_mutex_lock(&m_pthreadMutex); 
 m_vecTaskList.push_back(task); 
 pthread_mutex_unlock(&m_pthreadMutex); 
 pthread_cond_signal(&m_pthreadCond); 
 
 return 0;
}
//创建线程
int CThreadPool::Create() { 
 pthread_id = new pthread_t[m_iThreadNum];
 for(int i = 0; i < m_iThreadNum; i++)
 pthread_create(&pthread_id[i], NULL, ThreadFunc, NULL);
 
 return 0;
}
//停止所有线程
int CThreadPool::StopAll() { 
 //避免重复调用
 if(shutdown)
 return -1;
 printf("Now I will end all threads!\n\n");
 
 //唤醒所有等待进程，线程池也要销毁了
 shutdown = true;
 pthread_cond_broadcast(&m_pthreadCond);
 
 //清楚僵尸
 for(int i = 0; i < m_iThreadNum; i++)
 pthread_join(pthread_id[i], NULL);
 
 delete[] pthread_id;
 pthread_id = NULL;
 
 //销毁互斥量和条件变量
 pthread_mutex_destroy(&m_pthreadMutex);
 pthread_cond_destroy(&m_pthreadCond);
 
 return 0;
}
//获取当前队列中的任务数
int CThreadPool::getTaskSize() { 
 return m_vecTaskList.size();
}

3 main.cpp

#include "thread_pool.h"
#include <cstdio>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
class CMyTask: public CTask { 
public:
 CMyTask() = default; 
 int Run() {
 printf("%s\n", (char*)m_ptrData);
 int x = rand()%4 + 1;
 sleep(x); 
 return 0;
 }
 ~CMyTask() {}
};
int main() {
 CMyTask taskObj;
 char szTmp[] = "hello!";
 taskObj.setData((void*)szTmp);
 CThreadPool threadpool(5); //线程池大小为5
 
 for(int i = 0; i < 10; i++)
 threadpool.AddTask(&taskObj);
 
 while(1) {
 printf("There are still %d tasks need to handle\n", threadpool.getTaskSize());
 //任务队列已没有任务了
 if(threadpool.getTaskSize()==0) {
 //清除线程池
 if(threadpool.StopAll() == -1) {
 printf("Thread pool clear, exit.\n");
 exit(0);
 }
 }
 sleep(2);
 printf("2 seconds later...\n");
 } 
 return 0;
}

4 Makefile

CC:= g++
TARGET:= threadpool
INCLUDE:= -I./
LIBS:= -lpthread
# C++语言编译参数 
CXXFLAGS:= -std=c++11 -g -Wall -D_REENTRANT
# C预处理参数
# CPPFLAGS:=
OBJECTS :=thread_pool.o main.o
 
$(TARGET): $(OBJECTS)
 $(CC) -o $(TARGET) $(OBJECTS) $(LIBS)
 
# $@表示所有目标集 
%.o:%.cpp 
 $(CC) -c $(CXXFLAGS) $(INCLUDE) lt; -o $@
 
.PHONY : clean
clean: 
 -rm -f $(OBJECTS) $(TARGET)

5 输出结果

I will create 5 threads.
There are still 10 tasks need to handle
[tid: 140056759576320] run: hello!
[tid: 140056751183616] run: hello!
[tid: 140056742790912] run: hello!
[tid: 140056734398208] run: hello!
[tid: 140056767969024] run: hello!
2 seconds later...
There are still 5 tasks need to handle
[tid: 140056742790912] idle
[tid: 140056742790912] run: hello!
[tid: 140056767969024] idle
[tid: 140056767969024] run: hello!
[tid: 140056751183616] idle
[tid: 140056751183616] run: hello!
[tid: 140056759576320] idle
[tid: 140056759576320] run: hello!
[tid: 140056751183616] idle
[tid: 140056751183616] run: hello!
[tid: 140056734398208] idle
2 seconds later...
There are still 0 tasks need to handle
Now I will end all threads!
2 seconds later...
[tid: 140056734398208] exit
[tid: 140056767969024] idle
[tid: 140056767969024] exit
[tid: 140056759576320] idle
[tid: 140056759576320] exit
[tid: 140056751183616] idle
[tid: 140056751183616] exit
[tid: 140056742790912] idle
[tid: 140056742790912] exit
2 seconds later...
There are still 0 tasks need to handle
Thread pool clear, exit.

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