【Linux】线程——线程池、线程池的实现、线程安全的线程池、单例模式的概
Linux线程7. 线程池
线程池是一种多线程编程中的技术和概念。
它是一种线程使用模式。是一组预先创建好的线程聚集，这些线程处于等待状态，随时预备担当任务并实行。
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7.1 线程池介绍
为什么使用线程池
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实行的任务。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。可用线程数量应该取决于可用的并发处理器、处理器内核、内存、网络sockets等的数量。
线程池的应用场景
（1）必要大量的线程来完成任务，且完成任务的时间比力短。 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。 但对于长时间的任务，比如一个Telnet连接请求，线程池的优点就不显着了。因为Telnet会话时间比线程的创建时间大多了。
（2）对性能要求苛刻的应用，比如要求服务器迅速相应客户请求。
（3）担当突发性的大量请求，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，在没有线程池环境下，将产生大量线程，固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。
使用线程池的优点
（1）提高性能：避免了频繁创建和销毁线程的开销，因为线程的创建和销毁是比力耗时的操作。
（2）控制资源：可以限定线程的数量，防止过多的线程竞争系统资源，导致系统性能降落乃至崩溃。
（3）提高相应性：能够更快地相应新的任务请求，因为线程已经预备好，无需等待线程创建。
7.2 线程池的实现
线程池示例
（1）创建固定命量线程池，循环从任务队列中获取任务对象。
（2）获取到任务对象后，实行任务对象中的任务接口。
实行任务：
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
std::string opers="+-*/%";
enum{
DivZero=1,
ModZero,
Unknown
};
class Task
{
public:
Task()
{}
Task(int x,int y,char op)
:_data1(x),_data2(y),_oper(op),_result(0),_exitcode(0)
{}
void run()
{
switch (_oper)
{
case '+':
_result=_data1+_data2;
break;
case '-':
_result=_data1-_data2;
break;
case '*':
_result=_data1*_data2;
break;
case '/':
{
if(_data2==0) _exitcode=DivZero;
else _result=_data1/_data2;
}
break;
case '%':
{
if(_data2==0) _exitcode=ModZero;
else _result=_data1%_data2;
}
break;
default:
_exitcode=Unknown;
break;
}
}
//Task对象重载运算符(),()直接进行run函数
void operator()()
{
run();
}
std::string GetResult()
{
std::string r=std::to_string(_data1);
r+=_oper;
r+=std::to_string(_data2);
r+="=";
r+=std::to_string(_result);
r+="[code: ";
r+=std::to_string(_exitcode);
r+="]";
return r;
}
std::string GetTask()
{
std::string r=std::to_string(_data1);
r+=_oper;
r+=std::to_string(_data2);
r+="=?";
return r;
}
~Task()
{}
private:
int _data1;
int _data2;
char _oper;
int _result;
int _exitcode;
};
线程池：
#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include "Task.hpp"
struct ThreadData
{
pthread_t tid;
std::string name;
};
static const int defaultnum=5; //默认线程数量
//实现我们的线程池
template<class T>
class ThreadPool
{
public:
void Lock()
{
pthread_mutex_lock(&_mutex);
}
void Unlock()
{
pthread_mutex_unlock(&_mutex);
}
void Wakeup()
{
pthread_cond_signal(&_cond);
}
void ThreadSleep()
{
pthread_cond_wait(&_cond,&_mutex);
}
bool IsQueueEmpty()
{
return _tasks.empty();
}
public:
//注意我们线程调用的函数要求参数和返回值都是void*
//但是handler在类中默认有this指针->参数不匹配，可以bind或者声明static或放在类外
static void *Handler(/*ThreadPool *this,*/void *args)
{
ThreadPool<T> *tp=static_cast<ThreadPool<T>*>(args);
while(true)
{
tp->Lock();
while(tp->IsQueueEmpty()) //判断任务是否为空
{
tp->ThreadSleep(); //条件变量
}
T t=tp->Pop(); //取出任务
tp->Unlock();
t(); //处理任务
std::cout<<" run, "<<"result: "<< t.GetResult()<<std::endl;
}
return nullptr;
}
void Start() //启动线程池
{
int num=_threads.size();
for(int i=0;i<num;i++)
{
_threads.name="thread-"+std::to_string(i+1);
pthread_create(&(_threads.tid),nullptr,Handler,this);
}
}
void Push(const T &t) //向任务队列放入任务
{
Lock();
_tasks.push(t); //放入任务
Wakeup(); //唤醒线程
Unlock();
}
T Pop() //取出任务
{
T t=_tasks.front();
_tasks.pop();
return t;
}
ThreadPool(int num=defaultnum)
:_threads(num)
{
pthread_mutex_init(&_mutex,nullptr);
pthread_cond_init(&_cond,nullptr);
}
~ThreadPool()
{
pthread_mutex_destroy(&_mutex);
pthread_cond_destroy(&_cond);
}
private:
std::vector<ThreadData> _threads; //线程池
std::queue<T> _tasks; //任务队列
pthread_mutex_t _mutex; //锁
pthread_cond_t _cond; //条件变量
};
运行函数：
#include <iostream>
#include "ThreadPool.hpp"
int main()
{
ThreadPool<Task> *tp=new ThreadPool<Task>(5);
tp->Start();
srand(time(nullptr) ^ getpid());
while(true)
{
//1. 构建任务
int x=rand()%10+1;
usleep(10);
int y=rand()%5;
char op=opers;
Task t(x,y,op);
tp->Push(t);
//2. 交给线程池处理
std::cout<<"main thread make task: "<<t.GetTask()<<std::endl;
sleep(1);
}
return 0;
}
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7.3 线程安全的线程池
7.3.1 单例模式的概念
单例模式是一种常见的软件计划模式。
概念：单例模式确保一个类只有一个实例存在，并提供一个全局访问点来获取该实例。
特点包罗
唯一性：保证一个类在整个应用程序中只有一个实例。
全局访问：提供了一种全局访问这个唯一实例的方式，方便在程序的任何地方使用。
延迟初始化：通常实例的创建是延迟的，即在首次使用时才创建实例，以提高性能和资源利用率。
单例模式的优点
节流系统资源：避免了频繁创建和销毁对象带来的资源消耗。
统一管理：对唯一的实例进行集中管理和控制，方便维护和修改。
保证一致性：在整个应用中，对于共享的数据或状态，通过单例模式可以保证其一致性。
7.3.2 饿汉和懒汉模式
饿汉模式：
在类加载时就创建单例对象。
优点：线程安全， 因为对象在类加载时就已经创建好了，不存在多线程并发创建的问题。简单直接，实现较为简单。
缺点：无论是否使用，对象都会在类加载时创建，可能会造成肯定的资源浪费。
template <typename T>
class Singleton
{
static T data;
public:
static T* GetInstance()
{
return &data;
}
};
懒汉模式：
在第一次使用时才创建单例对象。
优点：延迟对象的创建，只有在真正必要时才创建，节流了资源。
缺点：线程不安全，在多线程环境下可能会创建多个实例。必要额外的处理来保证线程安全，增加了实现的复杂性。
template <typename T>
class Singleton
{
static T* inst;
public:
static T* GetInstance()
{
if (inst == NULL)
{
inst = new T();
}
return inst;
}
};
懒汉模式实现线程安全的线程池
线程安全的线程池：
#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include "Task.hpp"
struct ThreadData
{
pthread_t tid;
std::string name;
};
static const int defaultnum=5; //默认线程数量
//实现我们的线程池
template<class T>
class ThreadPool
{
public:
void Lock()
{
pthread_mutex_lock(&_mutex);
}
void Unlock()
{
pthread_mutex_unlock(&_mutex);
}
void Wakeup()
{
pthread_cond_signal(&_cond);
}
void ThreadSleep()
{
pthread_cond_wait(&_cond,&_mutex);
}
bool IsQueueEmpty()
{
return _tasks.empty();
}
std::string GetThreadName(pthread_t tid)
{
for (const auto &ti : _threads)
{
if (ti.tid == tid)
return ti.name;
}
return "None";
}
public:
//注意我们线程调用的函数要求参数和返回值都是void*
//但是handler在类中默认有this指针->参数不匹配，可以bind或者声明static或放在类外
static void *Handler(/*ThreadPool *this,*/void *args)
{
ThreadPool<T> *tp=static_cast<ThreadPool<T>*>(args);
std::string name = tp->GetThreadName(pthread_self());
while(true)
{
tp->Lock();
while(tp->IsQueueEmpty()) //判断任务是否为空
{
tp->ThreadSleep(); //条件变量
}
T t=tp->Pop(); //取出任务
tp->Unlock();
t(); //处理任务
std::cout<<name<<" run, "<<"result: "<< t.GetResult()<<std::endl;
}
return nullptr;
}
void Start() //启动线程池
{
int num=_threads.size();
for(int i=0;i<num;i++)
{
_threads.name="thread-"+std::to_string(i+1);
pthread_create(&(_threads.tid),nullptr,Handler,this);
}
}
void Push(const T &t) //向任务队列放入任务
{
Lock();
_tasks.push(t); //放入任务
Wakeup(); //唤醒线程
Unlock();
}
T Pop() //取出任务
{
T t=_tasks.front();
_tasks.pop();
return t;
}
static ThreadPool<T> *GetInstance() //获取单例对象
{
if(nullptr==_tp) //创建单例对象后，不会再有申请和释放锁的操作
{
pthread_mutex_lock(&_lock); //保护临界资源
if(_tp==nullptr)
{
std::cout<<"singleton create done"<<std::endl;
_tp=new ThreadPool<T>();
}
pthread_mutex_unlock(&_lock);
}
return _tp;
}
private:
ThreadPool(const ThreadPool<T>&)=delete;
const ThreadPool<T>& operator=(const ThreadPool<T>&)=delete;
ThreadPool(int num=defaultnum)
:_threads(num)
{
pthread_mutex_init(&_mutex,nullptr);
pthread_cond_init(&_cond,nullptr);
}
~ThreadPool()
{
pthread_mutex_destroy(&_mutex);
pthread_cond_destroy(&_cond);
}
private:
std::vector<ThreadData> _threads; //线程池
std::queue<T> _tasks; //任务队列
pthread_mutex_t _mutex; //锁
pthread_cond_t _cond; //条件变量
static ThreadPool<T> *_tp; //获取单例指针
static pthread_mutex_t _lock; //锁
};
template<class T>
ThreadPool<T> *ThreadPool<T>::_tp=nullptr;
template<class T>
pthread_mutex_t ThreadPool<T>::_lock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
运行函数：
#include <iostream>
#include "ThreadPool.hpp"
int main()
{
//ThreadPool<Task> *tp=new ThreadPool<Task>(5);
//tp->Start();
sleep(2); //懒汉模式
ThreadPool<Task>::GetInstance()->Start();
srand(time(nullptr) ^ getpid());
while(true)
{
//1. 构建任务
int x=rand()%10+1;
usleep(10);
int y=rand()%5;
char op=opers;
Task t(x,y,op);
//tp->Push(t);
ThreadPool<Task>::GetInstance()->Push(t);
//2. 交给线程池处理
std::cout<<"main thread make task: "<<t.GetTask()<<std::endl;
sleep(1);
}
return 0;
}
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STL中的容器是否是线程安全的?
不是。原因是 STL 的计划初衷是将性能发掘到极致，而一旦涉及到加锁保证线程安全，会对性能造成巨大的影响。
而且对于差别的容器，加锁方式的差别，性能可能也差别(例如hash表的锁表和锁桶)。
因此 STL 默认不是线程安全。假如必要在多线程环境下使用，往往必要调用者自行保证线程安全。
智能指针是否是线程安全的?
对于 unique_ptr，由于只是在当前代码块范围内生效，因此不涉及线程安全问题。
对于 shared_ptr，多个对象必要共用一个引用计数变量，所以会存在线程安全问题。但是尺度库实现的时间思量到了这个问题，基于原子操作(CAS)的方式保证 shared_ptr 能够高效， 原子的操作引用计数。
8. 常见锁使用汇总
8.1 互斥锁（Mutex）
确保在同一时候只有一个线程能够访问被保护的资源。
例如，多个线程同时操作一个共享的全局变量时，使用互斥锁来保证数据的一致性。
初始化互斥锁
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
作用：初始化一个互斥锁。
参数：
mutex：指向要初始化的互斥锁的指针。
attr：互斥锁的属性指针，通常为 NULL（使用默认属性）。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
加锁
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
作用：获取互斥锁，假如锁已被占用则壅闭等待。
参数：mutex：要加锁的互斥锁指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
尝试加锁
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
作用：尝试获取互斥锁，假如锁可用则获取并返回 0，否则立刻返回 EBUSY。
参数：mutex：要尝试加锁的互斥锁指针。
返回值：乐成返回 0，锁不可用返回 EBUSY。
解锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
作用：释放已获取的互斥锁。
参数：mutex：要解锁的互斥锁指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
销毁互斥锁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
作用：销毁指定的互斥锁。
参数：mutex：要销毁的互斥锁指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
8.2 条件变量（Condition Variable）
通常与互斥锁共同使用，用于线程之间的等待和关照。
比如一个线程必要等待某个条件满足后才能继续实行，而另一个线程在条件满足时关照它。
初始化条件变量
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);
作用：初始化一个条件变量。
参数：
cond：指向要初始化的条件变量的指针。
attr：条件变量的属性指针，通常为 NULL（使用默认属性）。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
等待条件变量
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
作用：壅闭当前线程，直到指定的条件变量被唤醒。
参数：
cond：要等待的条件变量指针。
mutex：与条件变量关联的互斥锁指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
定时等待条件变量
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);
作用：壅闭当前线程，直到指定的条件变量被唤醒或到达指定的超时时间。
参数：
cond：要等待的条件变量指针。
mutex：与条件变量关联的互斥锁指针。
abstime：指定的超时时间。
返回值：乐成返回 0，超时返回 ETIMEDOUT，失败返回其他错误码。
唤醒一个等待条件变量的线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
作用：唤醒至少一个等待指定条件变量的线程。
参数：cond：要唤醒的条件变量指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
唤醒所有等待条件变量的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
作用：唤醒所有等待指定条件变量的线程。
参数：cond：要唤醒的条件变量指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
销毁条件变量
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
作用：销毁指定的条件变量。
参数：cond：要销毁的条件变量指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
8.3 信号量（Semaphore）
用于控制同时访问某一资源的线程数量。
例如限定同时访问数据库连接的线程数量。
初始化信号量
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
作用：初始化一个信号量。
参数：
sem：指向要初始化的信号量的指针。
pshared：表示信号量的共享属性，0 表示线程间共享，非 0 表示进程间共享。
value：信号量的初始值。
返回值：乐成返回 0，失败返回 -1。
等待信号量
int sem_wait(sem_t *sem);
作用：等待信号量的值大于 0，然后将其减 1。
参数：sem：要操作的信号量指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回 -1。
尝试等待信号量
int sem_trywait(sem_t *sem);
作用：尝试等待信号量，假如信号量的值大于 0，则将其减 1 并立刻返回；否则返回错误。
参数：sem：要操作的信号量指针。
返回值：乐成返回 0，信号量不可用返回 -1 并设置 errno 为 EAGAIN。
释放信号量
int sem_post(sem_t *sem);
作用：将信号量的值增加 1。
参数：sem：要操作的信号量指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回 -1。
获取信号量的值
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
作用：获取信号量的当前值，并将其存储在 sval 指向的变量中。
参数：
sem：要操作的信号量指针。
sval：用于存储信号量值的整数指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回 -1。
销毁信号量
int sem_destroy(sem_t *sem);
作用：销毁指定的信号量。
参数：sem：要销毁的信号量指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回 -1。
8.4 自旋锁（Spin Lock）
线程在获取锁失败时，会不停循环尝试获取，而不是壅闭等待。
适用于锁被持有的时间很短的环境，能避免线程切换的开销，但假如锁被长时间持有，会浪费 CPU 资源。
初始化自旋锁
int spinlock_init(spinlock_t *lock, const spinlockattr_t *attr);
作用：初始化指定的自旋锁。
参数：
lock：指向要初始化的自旋锁的指针。
attr：自旋锁属性指针，可为 NULL（使用默认属性）。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
销毁自旋锁
int spinlock_destroy(spinlock_t *lock);
作用：销毁指定的自旋锁。
参数：lock：要销毁的自旋锁指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
尝试获取自旋锁（读）
int spinlock_rdlock(spinlock_t *lock);
作用：尝试获取自旋锁的读锁。
参数：lock：指向要获取读锁的自旋锁的指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
尝试获取自旋锁（写）
int spinlock_wrlock(spinlock_t *lock);
作用：尝试获取自旋锁的写锁。
参数：lock：指向要获取写锁的自旋锁的指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
释放自旋锁
int spinlock_unlock(spinlock_t *lock);
作用：释放指定的自旋锁。
参数：lock：要释放的自旋锁指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
8.5 读写锁（Read-Write Lock）
区分读操作和写操作。允很多个线程同时进行读操作，但在写操作时，不允许其他线程进行读或写操作。
适用于读操作频繁而写操作较少的场景，比如共享数据的读取次数远多于修改次数的环境。
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初始化读写锁
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
作用：初始化指定的读写锁。
参数：
rwlock：指向要初始化的读写锁的指针。
attr：读写锁属性指针，可为 NULL（使用默认属性）。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
销毁读写锁
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
作用：销毁指定的读写锁。
参数：rwlock：要销毁的读写锁指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
获取读写锁的读锁
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
作用：尝试获取指定读写锁的读锁。
参数：rwlock：指向要获取读锁的读写锁的指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
获取读写锁的写锁
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
作用：尝试获取指定读写锁的写锁。
参数：rwlock：指向要获取写锁的读写锁的指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
释放读写锁
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
作用：释放指定的读写锁。
参数：rwlock：要释放的读写锁指针。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
设置读写锁的优先级
int pthread_rwlockattr_setkind_np(pthread_rwlockattr_t *attr, int pref);
作用：设置读写锁的优先级。
参数：
attr：读写锁属性指针。
pref：优先级选择，有以下 3 种：
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_READER_NP （默认设置）读者优先，可能会导致写者饥饿环境。
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NP 写者优先，目前有 BUG，导致表现行为和 PTHREAD_RWLOCK_PREFER_READER_NP 一致。
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NONRECURSIVE_NP 写者优先，但写者不能递归加锁。
返回值：乐成返回 0，失败返回错误码。
其他概念：
悲观锁：在每次取数据时，总是担心数据会被其他线程修改，所以会在取数据前先加锁（读锁，写锁，行锁等），当其他线程想要访问数据时，被壅闭挂起。
乐观锁：每次取数据时间，总是乐观的认为数据不会被其他线程修改，因此不上锁。但是在更新数据前，会判断其他数据在更新前有没有对数据进行修改。主要接纳两种方式：版本号机制和CAS操作。
公平锁：公平锁按照线程请求锁的先后次序来分配锁。先请求的线程先获取，保证了次序公平。保证次序，得当要求严格公平的场景。但性能开销大，高并发时吞吐量可能受影响。
非公平锁：非公平锁不按请求次序分配锁，锁释放时竞争的线程都可能获取，不肯定是先请求的。性能好，高并发时吞吐量可能高。但可能导致线程饥饿，行为不太确定。
CAS操作：当必要更新数据时，判断当前内存值和之前取得的值是否相当。假如相当则用新值更新。若不等则失败，失败则重试，一般是一个自旋的过程，即不停重试。
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