系统编程-线程池

工程背景

• 考虑这么一个情况：为应对某场景的实际需求，要在程序中创建大量线程，并且这些线程的数量和生命周期均不确定，可能方生方死，也可能常驻内存，如何在满足其要求的同时，尽可能降低系统负载？
  一个基本事实是，线程的创建和销毁都是需要额外的系统资源的，如果线程的生命周期很短，那么相对于实际干活的时间，来回重复创建和销毁就显得很不划算，但也不能让线程执行完任务之后耗着不走，因此就需要一个比较科学合理的布局，来管控线程，一个比较成熟的方案是：在上述情况下，将线程放入一个类似缓冲区的池子中，对于生命周期很短的任务，那么什么时候需要线程就从池子中捞出来干活，干完活就放回池子且让线程保持整装待命，并通过精巧的设计使得池子中的线程数量可以动态地发生变化，让线程既可以应对并发性需求，又不会浪费系统资源，这种设计思路就是线程池。
  线程池的基本想法，是将许多线程，放置一个池子中（实际就一个结构体），只要有任务，就将任务投入池中，这些线程们通过某些机制，及时处理这些任务。为了便于管理，线程池还应当提供诸如初始化线程池、增删线程数量、检测未完成任务的数量、检测正在执行任务的线程的数量、销毁线程池等等基本操作。

逻辑框架

• 要让线程池好用，主要是解决如下两个问题：
  如何组织线程？
  如何组织任务？
  
  
  

线程组织

• 从上图可知，线程被创建出来之后，都是处于睡眠状态，它们实际上是进入到了条件变量的等待队列中，而任务都被放进一个链表中，被互斥锁保护起来

• 下面是线程池整个的一生

  1. 创建
  2. 写遗书（准备好退出处理函数，放了防止在持有一把锁的状态中（执行任务）被杀死）
  3. 试图持有互斥锁（等待任务）
  4. 判断是否有任务，若无则进入条件变量中等待任务，若有就进入第五步
  5. 从任务链表中取一个任务
  6. 释放互斥锁
  7. 销毁遗书（将备用的退出处理函数弹栈，避免占内存）
  8. 执行任务，完毕之后就重回第二步

• 线程池代码案例：

  一、分析线程池文件
  pool_test/  -> 线程池的源码
  		thread_pool.c  -> 线程池函数接口源码  -> 待会主要分析这个文件
  		thread_pool.h  -> 线程池函数声明、线程池结构体..
  		main.c   -> 简单应用。
  线程池接口设计说明书.doc  -> 详细说明了线程池中函数的用法。
  
  二、线程池实现过程。
  1、 什么是线程池？
  线程池就是多个线程组合起来的一个集合，就好像一家公司，由多个员工组成的一个集合。当有任务时，这些线程就会去处理这些任务，当没有任务时，线程就会休息。
  
  2、 如何来描述一个线程池？  -> 使用一个结构体。
  typedef struct thread_pool
  {
  	pthread_mutex_t lock;    -> 互斥锁
  	pthread_cond_t  cond;    -> 条件变量
  	bool shutdown;		 -> 当前线程池的标志位  true -> 线程池关闭了，  false  -> 线程池没有关闭。
  	struct task *task_list;  -> 任务队列的头节点
  	pthread_t *tids;         -> 储存所有线程的ID号
  	//unsigned max_waiting_tasks;  -> 最大等待任务的数目
  	unsigned waiting_tasks;	     -> 当前正在等待处理的任务的个数//链表中有多少个结点，每个结点就是一个任务，也就是当前有多少个任务
  	unsigned active_threads;     -> 活跃的线程个数 //表示当前线程池里面有多少条线程
  
  }thread_pool;
  
  //任务队列 的结点数据类型---- 也就是说 任务结构体的数据类型
  struct task
  {
  	/* 数据域 */
  	void *(*do_task)(void *arg); //函数指针 -> 这个任务需要执行的函数，这个函数必须是: void *fun(void *arg)
  	void *arg;    -> 传递给执行的函数的参数
  
  	/* 指针域 */
  	struct task *next;  -> 指向下一个任务节点的指针。
  };
  
  3、 如何实现初始化？  -> init_pool() 
  bool init_pool(thread_pool *pool, unsigned int threads_number)
  {
  	//1. 初始化线程池互斥锁
  	pthread_mutex_init(&pool->lock, NULL);
  
  	//2. 初始化条件变量
  	pthread_cond_init(&pool->cond, NULL);
  
  	//3. 初始化标志位为false，代表当前线程池正在运行。
  	pool->shutdown = false;
  
  	//4. 初始化任务队列的头节点
  	pool->task_list = malloc(sizeof(struct task));
  
  	//5. 为储存线程ID号申请空间。
  	pool->tids = malloc(sizeof(pthread_t) * MAX_ACTIVE_THREADS);
  
  	//第4步与第5步错误判断
  	if(pool->task_list == NULL || pool->tids == NULL)
  	{
  		perror("allocate memory error");
  		return false; //初始化线程池失败
  	}
  
  	//6. 为线程池任务队列的头节点的指针域赋值NULL
  	pool->task_list->next = NULL;
  
  	//7. 设置线程池最大任务个数为1000
  	pool->max_waiting_tasks = MAX_WAITING_TASKS;
  
  	//8. 当前需要处理的任务为0
  	pool->waiting_tasks = 0;
  
  	//9. 初始化线程池中线程池的个数
  	pool->active_threads = threads_number;
  
  	//10. 创建线程
  	int i;
  	for(i=0; i<pool->active_threads; i++)
  	{
  		if(pthread_create(&((pool->tids)[i]), NULL,routine, (void *)pool) != 0)
  		{
  			perror("create threads error");
  			return false;
  		}
  	}
  
  	//11. 线程池初始化成功
  	return true;
  }
  
  总结：初始化线程池函数其实就是给线程池的结构体赋值，将一些变量赋初值，以及初始化变量，为指针申请空间。
  
  2）如何添加任务呢？  ->  add_task()
  bool add_task(thread_pool *pool,void *(*do_task)(void *arg), void *arg)
  {
  	//1. 为新任务的节点申请空间
  	struct task *new_task = malloc(sizeof(struct task));
  	if(new_task == NULL)
  	{
  		perror("allocate memory error");
  		return false;
  	}
  
  	//2. 为新节点的数据域与指针域赋值
  	new_task->do_task = do_task;  
  	new_task->arg = arg; 
  	new_task->next = NULL;  
  
  	//3.  在添加任务之前，必须先上锁，因为添加任务属于访问临界资源 -> 任务队列
  	pthread_mutex_lock(&pool->lock);
  
  	//4. 如果当前需要处理的任务个数>=1000
  	if(pool->waiting_tasks >= MAX_WAITING_TASKS)
  	{
  		//解锁
  		pthread_mutex_unlock(&pool->lock);
  
  		//打印一句话提示一下，太多任务了
  		fprintf(stderr, "too many tasks.\n");
  
  		//释放掉刚刚准备好的新节点
  		free(new_task);
  
  		return false;
  	}
  
  	//5. 寻找任务队列中的最后一个节点
  	struct task *tmp = pool->task_list;
  	while(tmp->next != NULL)
  		tmp = tmp->next;
  	//从循环中出来时，tmp肯定是指向最后一个节点
  
  	//6. 让最后一个节点的指针域指向新节点
  	tmp->next = new_task;
  
  	//7. 当前需要处理的任务+1
  	pool->waiting_tasks++;
  
  	//8. 添加完毕，就解锁。
  	pthread_mutex_unlock(&pool->lock);
  
  	//9. 唤醒条件变量中的一个线程起来做任务
  	pthread_cond_signal(&pool->cond);
  
  	return true;
  }
  
  总结： 插入一个新节点到任务队列的末尾，唤醒条件变量中的一个线程起来做任务。
  
  3）线程例程函数  -> void *routine(void *arg)
  void *routine(void *arg)
  {
  	//1. 先接住线程池的地址
  	thread_pool *pool = (thread_pool *)arg;
  	struct task *p;
  
  	while(1)
  	{
  		//2. 线程取消例程函数
  		//将来要是有人要取消我，请先把锁解开，然后再响应取消。
  		pthread_cleanup_push(handler, (void *)&pool->lock);
  
  		//3. 上锁
  		pthread_mutex_lock(&pool->lock);
  
  		//如果当前线程池没有关闭，并且当前线程池没有任务做
  		while(pool->waiting_tasks == 0 && !pool->shutdown)
  		{
  			//那么就进去条件变量中睡觉。
  			pthread_cond_wait(&pool->cond, &pool->lock); //自动解锁
  		}
  
  		//要是线程池关闭了，或者有任务做，这些线程就会运行到这行代码
  		//判断当前线程池是不是关闭了，并且没有等待的任务
  		if(pool->waiting_tasks == 0 && pool->shutdown == true)
  		{	
  			//如果线程池关闭，又没有任务做
  			//线程那么就会解锁
  			pthread_mutex_unlock(&pool->lock);	
  
  			//线程走人
  			pthread_exit(NULL); 
  		}
  
  		//能运行到这里，说明有任务做
  		//p指向头节点的下一个
  		p = pool->task_list->next;
  
  		//让头节点的指针域指向p的下一个节点
  		pool->task_list->next = p->next;
  
  		//当前任务个数-1
  		pool->waiting_tasks--;
  
  		//解锁
  		pthread_mutex_unlock(&pool->lock);
  
  		//删除线程取消例程函数
  		pthread_cleanup_pop(0);
  
  		//设置线程不能响应取消
  		pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_DISABLE, NULL); 
  
  		//执行这个p节点指向的节点的函数
  		(p->do_task)(p->arg);
  
  		//设置线程能响应取消
  		pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE, NULL);
  
  		//释放p对应的空间
  		free(p);
  	}
  
  	pthread_exit(NULL);
  }
  
  总结：线程去任务队列中拿一个节点出来，就执行该任务(过程不能被取消)，如果没有任务做，就去睡觉。
  
  4）添加线程  -> add_thread()  
  int add_thread(thread_pool *pool, unsigned additional_threads)
  {
  	//如果说你想添加0条，则直接返回0。
  	if(additional_threads == 0)
  		return 0; 
  
  	unsigned total_threads = pool->active_threads + additional_threads;
  			 //total_threads = 原本 2条 + 现在再加2条
  
  	int i, actual_increment = 0;
  
  	// i = 2 ; i<4 && i<20; i++
  	for(i = pool->active_threads; i < total_threads && i < MAX_ACTIVE_THREADS;  i++) 
  	{
  		if(pthread_create(&((pool->tids)[i]),NULL, routine, (void *)pool) != 0)
  		{
  			perror("add threads error");
  			if(actual_increment == 0) 
  				return -1;
  
  			break;
  		}
  		actual_increment++;  //真正创建线程的条数
  	}
  
  	pool->active_threads += actual_increment; //当前线程池线程个数 = 原来的个数 + 实际创建的个数
  
  	return actual_increment; //返回真正创建的个数
  }
  
  总结： 根据用户的需要去创建线程，但是不能超过20条。
  
  5）删除线程  -> remove_thread()
  int remove_thread(thread_pool *pool, unsigned int removing_threads)
  {
  	//1. 如果你想删0条，直接返回。
  	if(removing_threads == 0)
  		return pool->active_threads;  //返回当前剩余的线程数
  
  	int remaining_threads = pool->active_threads - removing_threads;
  	//            3         =            5         -  2
  	//			  0			=	         5         -  5
  	//           -3         =            5         -  8
  
  	remaining_threads = remaining_threads > 0 ? remaining_threads : 1;
  
  	int i;  
  	for(i=pool->active_threads-1; i>remaining_threads-1; i--)
  	{	
  		errno = pthread_cancel(pool->tids[i]); //取消这些线程
  		if(errno != 0)
  			break;
  	}
  
  	if(i == pool->active_threads-1) //删除失败
  		return -1;
  	else
  	{
  		pool->active_threads = i+1; //当前实际线程个数
  		return i+1; 
  	}
  }
  
  总结： 根据用户需要，去取消掉一些线程，但是线程池中线程不能小于1条。
  
  6）销毁线程池。  -> destroy_pool() 
  bool destroy_pool(thread_pool *pool)
  {
  	//1. 设置线程池关闭标志为真
  	pool->shutdown = true; 
  
  	pthread_cond_broadcast(&pool->cond);  //目的： 就是让线程退出！
  
  	//2. 接合所有的线程
  	int i;
  	for(i=0; i<pool->active_threads; i++)
  	{
  		errno = pthread_join(pool->tids[i], NULL);
  
  		if(errno != 0)
  		{
  			printf("join tids[%d] error: %s\n",
  					i, strerror(errno));
  		}
  
  		else
  			printf("[%u] is joined\n", (unsigned)pool->tids[i]);
  
  	}
  
  	//3. 释放一些空间
  	free(pool->task_list);
  	free(pool->tids);
  	free(pool);
  
  	return true;
  }
  
  总结： 唤醒所有的小孩，让小孩走人。
  

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