线程池
线程池基本原理
在传统服务器结构中，常是有一个总的监听线程监听有没有新的用户连接服务器，每当有一个新的用户进入，服务器就开启一个新的线程用户处理这 个用户的数据包。这个线程只服务于这个用户，当用户与服务器端关闭连接以后，服务器端销毁这个线程。
然而频繁地开辟与销毁线程极大地占用了系统的资源，而且在大量用户的情况下，系统为了开辟和销毁线程将浪费大量的时间和资源。线程池提供了一个解决外部大量用户与服务器有限资源的矛盾。
线程池和传统的一个用户对应一个线程的处理方法不同，它的基本思想就是在程序开始时就在内存中开辟一些线程，线程的数目是固定的，他们独自形成一个类，屏蔽了对外的操作，而服务器只需要将数据包交给线程池就可以了。当有新的客户请求到达时，不是新创建一个线程为其服务，而是从“池子”中选择一个空闲的线程为新的客户请求服务，服务完毕后，线程进入空闲线程池中。如果没有线程空闲的话，就将数据包暂时积累， 等待线程池内有线程空闲以后再进行处理。通过对多个任务重用已经存在的线程对象，降低了对线程对象创建和销毁的开销。当客户请求 时，线程对象已经存在，可以提高请求的响应时间，从而整体地提高了系统服务的表现。
线程池应用实例
一般来说实现一个线程池主要包括以下几个组成部分：
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，一般不占用 CPU，占用较小的内存空间。
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，被空闲的工作线程调去执行（线程的闲与忙是通过互斥量实现的），把任务抽象出来形成接口，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，实现这种结构有好几种方法，常用的是队列，主要运用先进先出原理，另外一种是链表之类的数据结构，可以动态的为它分配内存空间，应用中比较灵活，此教程就是用到的链表。
什么时候需要创建线程池呢？
简单的说，如果一个应用需要频繁的创建和销毁线程，而任务执行的时间又非常短，这样线程创建和销毁的带来的开销就不容忽视，这时也是线程池该出场的机会了。如果线程创建和销毁时间相比任务执行时间可以忽略不计，则没有必要使用线程池了
线程池实现示例代码如下：
thread_pool.h 的示例代码：
#ifndef __THREAD_POOL_H__
#define __THREAD_POOL_H__
#include <pthread.h>
/*********************************************************************
* 任务回调函数，也可根据需要自行修改
*********************************************************************/
typedef void *(*pool_task_f)(void *arg);
/*********************************************************************
* 任务句柄
*********************************************************************/
typedef struct _task{
pool_task_f process;/*回调函数，任务运行时会调用此函数，注意也可声明成其它形式*/
void *arg; /*回调函数的参数*/
struct _task *next;
}pool_task;
/*********************************************************************
* 线程池句柄
*********************************************************************/
typedef struct
{
pthread_t *threadid; /* 线程号 */
int threads_limit; /* 线程池中允许的活动线程数目 */
int destroy_flag; /* 是否销毁线程池 , 0销毁，1不销毁*/
pool_task *queue_head; /* 链表结构，线程池中所有等待任务 */
int task_in_queue; /* 当前等待队列的任务数目 */
pthread_mutex_t queue_lock; /* 锁 */
pthread_cond_t queue_ready; /* 条件变量 */
}pool_t;
/*********************************************************************
*功能: 初始化线程池结构体并创建线程
*参数:
pool：线程池句柄
threads_limit：线程池中线程的数量
*返回值: 无
*********************************************************************/
void pool_init(pool_t *pool, int threads_limit);
/*********************************************************************
*功能: 销毁线程池，等待队列中的任务不会再被执行，
但是正在运行的线程会一直,把任务运行完后再退出
*参数: 线程池句柄
*返回值: 成功：0，失败非0
*********************************************************************/
int pool_uninit(pool_t *pool);
/*********************************************************************
*功能: 向线程池中添加一个任务
*参数:
pool：线程池句柄
process：任务处理函数
arg：任务参数
*返回值: 0
*********************************************************************/
int pool_add_task(pool_t *pool, pool_task_f process, void *arg);
#endif
thread_pool.c 的示例代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <assert.h>
#include "thread_pool.h"
static void *pool_thread_server(void *arg);
/*********************************************************************
*功能: 初始化线程池结构体并创建线程
*参数:
pool：线程池句柄
threads_limit：线程池中线程的数量
*返回值: 无
*********************************************************************/
void pool_init(pool_t *pool, int threads_limit)
{
pool->threads_limit = threads_limit;
pool->queue_head = NULL;
pool->task_in_queue = 0;
pool->destroy_flag = 0;
/*创建存放线程ID的空间*/
pool->threadid = (pthread_t *)calloc(threads_limit, sizeof(pthread_t));
int i = 0;
/*初始化互斥锁和条件变量*/
pthread_mutex_init(&(pool->queue_lock), NULL);
pthread_cond_init(&(pool->queue_ready), NULL);
/*循环创建threads_limit个线程*/
for (i = 0; i < threads_limit; i++){
pthread_create(&(pool->threadid[i]), NULL, pool_thread_server, pool);
}
return;
}
/*********************************************************************
*功能: 销毁线程池，等待队列中的任务不会再被执行，
但是正在运行的线程会一直,把任务运行完后再退出
*参数: 线程池句柄
*返回值: 成功：0，失败非0
*********************************************************************/
int pool_uninit(pool_t *pool)
{
pool_task *head = NULL;
int i;
pthread_mutex_lock(&(pool->queue_lock));
if(pool->destroy_flag)/* 防止两次调用 */
return -1;
pool->destroy_flag = 1;
pthread_mutex_unlock(&(pool->queue_lock));
/* 唤醒所有等待线程，线程池要销毁了 */
pthread_cond_broadcast(&(pool->queue_ready));
/* 阻塞等待线程退出，否则就成僵尸了 */
for (i = 0; i < pool->threads_limit; i++)
pthread_join(pool->threadid[i], NULL);
free(pool->threadid);
/* 销毁等待队列 */
pthread_mutex_lock(&(pool->queue_lock));
while(pool->queue_head != NULL){
head = pool->queue_head;
pool->queue_head = pool->queue_head->next;
free(head);
}
pthread_mutex_unlock(&(pool->queue_lock));
/*条件变量和互斥量也别忘了销毁*/
pthread_mutex_destroy(&(pool->queue_lock));
pthread_cond_destroy(&(pool->queue_ready));
return 0;
}
/*********************************************************************
*功能: 向任务队列中添加一个任务
*参数: pool：线程池句柄
process：任务处理函数
arg：任务参数
*返回值: 无
*********************************************************************/
static void enqueue_task(pool_t *pool, pool_task_f process, void *arg)
{
pool_task *task = NULL;
pool_task *member = NULL;
pthread_mutex_lock(&(pool->queue_lock));
if(pool->task_in_queue >= pool->threads_limit){
printf("task_in_queue > threads_limit!\n");
pthread_mutex_unlock (&(pool->queue_lock));
return;
}
task = (pool_task *)calloc(1, sizeof(pool_task));
assert(task != NULL);
task->process = process;
task->arg = arg;
task->next = NULL;
pool->task_in_queue++;
member = pool->queue_head;
if(member != NULL){
while(member->next != NULL) /* 将任务加入到任务链连的最后位置. */
member = member->next;
member->next = task;
}else{
pool->queue_head = task; /* 如果是第一个任务的话,就指向头 */
}
printf("\ttasks %d\n", pool->task_in_queue);
/* 等待队列中有任务了，唤醒一个等待线程 */
pthread_cond_signal (&(pool->queue_ready));
pthread_mutex_unlock (&(pool->queue_lock));
}
/*********************************************************************
*功能: 从任务队列中取出一个任务
*参数: 线程池句柄
*返回值: 任务句柄
*********************************************************************/
static pool_task *dequeue_task(pool_t *pool)
{
pool_task *task = NULL;
pthread_mutex_lock(&(pool->queue_lock));
/* 判断线程池是否要销毁了 */
if(pool->destroy_flag){
pthread_mutex_unlock(&(pool->queue_lock));
printf("thread 0x%lx will be destroyed\n", pthread_self());
pthread_exit(NULL);
}
/* 如果等待队列为0并且不销毁线程池，则处于阻塞状态 */
if(pool->task_in_queue == 0){
while((pool->task_in_queue == 0) && (!pool->destroy_flag)){
printf("thread 0x%lx is waitting\n", pthread_self());
/* 注意:pthread_cond_wait是一个原子操作，等待前会解锁，唤醒后会加锁 */
pthread_cond_wait(&(pool->queue_ready), &(pool->queue_lock));
}
}else{
/* 等待队列长度减去1，并取出队列中的第一个元素 */
pool->task_in_queue--;
task = pool->queue_head;
pool->queue_head = task->next;
printf("thread 0x%lx received a task\n", pthread_self());
}
pthread_mutex_unlock(&(pool->queue_lock));
return task;
}
/*********************************************************************
*功能: 向线程池中添加一个任务
*参数: pool：线程池句柄
process：任务处理函数
arg：任务参数
*返回值: 0
*********************************************************************/
int pool_add_task(pool_t *pool, pool_task_f process, void *arg)
{
enqueue_task(pool, process, arg);
return 0;
}
/*********************************************************************
*功能: 线程池服务程序
*参数: 略
*返回值: 略
*********************************************************************/
static void *pool_thread_server(void *arg)
{
pool_t *pool = NULL;
pool = (pool_t *)arg;
while(1){
pool_task *task = NULL;
task = dequeue_task(pool);
/*调用回调函数，执行任务*/
if(task != NULL){
printf ("thread 0x%lx is busy\n", pthread_self());
task->process(task->arg);
free(task);
task = NULL;
}
}
/*这一句应该是不可达的*/
pthread_exit(NULL);
return NULL;
}
下面是测试代码：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include "thread_pool.h"
void *task_test(void *arg)
{
printf("\t\tworking on task %d\n", (int)arg);
sleep(1); /*休息一秒，延长任务的执行时间*/
return NULL;
}
void thread_pool_demo(void)
{
pool_t pool;
int i = 0;
pool_init(&pool, 2);//初始化一个线程池，其中创建2个线程
sleep(1);
for(i = 0; i < 5; i++){
sleep(1);
pool_add_task(&pool, task_test, (void *)i);//添加一个任务
}
sleep(4);
pool_uninit(&pool);//删除线程池
}
int main (int argc, char *argv[])
{
thread_pool_demo();
return 0;
}
运行结果如下：
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