1. 线程池基本原理
2. 线程池C语言实现
2.1 线程池的数据结构
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
typedef struct {
void *(*function)(void *); /*函数指针，回调函数*/
void *arg; /*上面函数的参数*/
} threadpool_task_t; /*各子线程任务结构体*/
typedef struct threadpool_s {
pthread_mutex_t lock; /*用于锁住本结构体*/
pthread_mutex_t thread_counter; /*记录忙状态线程个数的锁 -- busy_thread_num*/
pthread_cond_t queue_not_full; /*当队列任务满时，添加任务的线程阻塞，等待此条件变量*/
pthread_cond_t queue_not_empty; /*任务队列不为空时，通知等待任务的线程*/
pthread_t *workers_tid; /*存放线程池中每个线程的tid，数组*/
pthread_t manager_tid; /*存管理线程tid*/
threadpool_task_t *task_queue; /*任务队列*/
int min_thread_num; /*线程池最小线程数*/
int max_thread_num; /*线程池最大线程数*/
int live_thread_num; /*当前存活线程个数*/
int busy_thread_num; /*忙线程个数*/
int wait_exit_thr_num; /*要销毁的线程个数*/
int queue_front; /*task_queue队头下表*/
int queue_rear; /*task_queue队尾下表*/
int queue_size; /*task_queue队列中实际任务数*/
int queue_max_size; /*task_queue队列可容纳任务上限*/
int shutdown; /*标志位，线程池使用状态，true或者false*/
} threadpool_t;
2.2 线程池的创建
/***************************************************************************
* 创建线程池
*函数名:
* threadpool_create()
*参 数:
* min_thread_num ：线程池中最小线程数量
* max_thread_num ：线程池中最大线程数量
* queue_max_size ：任务队列的最大长度
*作 用:
* 创建一个指定大小的线程池
*内 容:
* 1）线程池基本参数
* 2）工作线程
* 3）管理线程
* 4）任务队列
* 5）互斥锁、条件变量
****************************************************************************/
threadpool_t *threadpool_create(int min_thread_num, int max_thread_num, int queue_max_size)
{
int i;
threadpool_t *pool = NULL;
do {
pool = (threadpool_t *)malloc(sizeof(threadpool_t));
if (pool == NULL) {
printf("malloc threadpool fail\n");
goto err_1;
}
pool->min_thread_num = min_thread_num;
pool->max_thread_num = max_thread_num;
pool->busy_thread_num = 0;
pool->live_thread_num = min_thread_num;
pool->queue_size = 0;
pool->queue_max_size = queue_max_size;
pool->queue_front = 0;
pool->queue_rear = 0;
pool->shutdown = 0;
/*根据最大线程上限数，给工作线程数据开辟空间，并清零*/
pool->workers_tid = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * max_thread_num);
if (pool->workers_tid == NULL) {
printf("malloc workers_tid fail\n");
goto err_2;
}
memset(pool->workers_tid, 0, sizeof(pthread_t) * max_thread_num);
/* 队列开辟空间 */
pool->task_queue = (threadpool_task_t *)malloc(sizeof(threadpool_task_t) * queue_max_size);
if (pool->task_queue == NULL) {
printf("malloc task_queue fail\n");
goto err_3;
}
/* 初始化互斥锁，条件变量 */
if (pthread_mutex_init(&(pool->lock), NULL) != 0 ||
pthread_mutex_init(&(pool->thread_counter), NULL) != 0 ||
pthread_cond_init(&(pool->queue_not_empty), NULL) != 0 ||
pthread_cond_init(&(pool->queue_not_full), NULL) != 0) {
printf("init the lock or cond fail\n");
goto err_4;
}
/* 启动 min_thread_num 个 work thread */
for (i = 0; i < min_thread_num; i++) {
pthread_create(&(pool->workers_tid[i]), NULL, workers_thread,(void *)pool); /*pool指向当前线程池*/
printf("start thread 0x%x...\n", (unsigned int)pool->workers_tid[i]);
}
/*创建管理者线程*/
pthread_create(&(pool->manager_tid), NULL, manager_thread, (void *)pool);
} while(0);
return pool;
//threadpool_free(pool); /*前面代码调用失败，释放poll存储空间*/
err_4:
/*需要销毁互斥锁和条件变量*/
free(pool->task_queue);
err_3:
free(pool->workers_tid);
err_2:
free(pool);
err_1:
return NULL;
}
2.3 管理线程处理函数
#define DEFAULT_TIME 60
#define MIN_WAIT_TASK_NUM 10
#define DEFAULT_THREAD_VERY 5
/***************************************************************************
* 管理者线程
*函数名:
* manager_thread()
*参 数:
* threadpool : 使用的线程池
*作 用:
* 根据任务的数量动态调整线程池大小
*内 容:
* 1）获取当前线程池中存在的线程和任务队列中积累的任务
* 2）根据需求动态调整线程池中的线程的数量
*缺 点：
* 使用了太多的互斥锁和条件变量，效率上值得商榷
****************************************************************************/
void *manager_thread(void *threadpool)
{
threadpool_t *pool = (threadpool_t *)threadpool;
int i;
while (!pool->shutdown) {
sleep(DEFAULT_TIME); /*定时对线程池管理*/
pthread_mutex_lock(&(pool->lock));
int queue_size = pool->queue_size;
int live_thread_num = pool->live_thread_num;/*线程池中存在的线程数量*/
pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));
pthread_mutex_lock(&(pool->thread_counter));
int busy_thread_num = pool->busy_thread_num;
pthread_mutex_unlock(&(pool->thread_counter));
/* 创建新线程算法，任务数大于最小线程池个数，
* 且存活的线程数小于最大线程数时
*/
if (queue_size >= MIN_WAIT_TASK_NUM && live_thread_num < pool->max_thread_num){
pthread_mutex_lock(&(pool->lock));
int add = 0;
/* 一次增加 DEFAULT_THREAD_VERY 个线程*/
for (i = 0; i < pool->max_thread_num && add < DEFAULT_THREAD_VERY
&& pool->live_thread_num < pool->max_thread_num; i++) {
if (pool->workers_tid[i] == 0 || !is_thread_alive(pool->workers_tid[i])) {
pthread_create(&(pool->workers_tid[i]), NULL, workers_thread,(void *)pool);
add++;
pool->live_thread_num++;
}
}
pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));
}
/* 销毁多余的空闲线程算法，忙线程 x2 小于存活的线程数 且
* 存活的线程数大于最小线程数时
*/
if (busy_thread_num * 2 < live_thread_num && live_thread_num > pool->min_thread_num) {
/*一次销毁 DEFAULT_THREAD_VERY 个线程*/
pthread_mutex_lock(&(pool->lock));
pool->wait_exit_thr_num = DEFAULT_THREAD_VERY;
pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));
for (i = 0; i < DEFAULT_THREAD_VERY; i++) {
/*通知处在空闲状态的线程，他们会自行终止，线程自杀*/
pthread_cond_signal(&(pool->queue_not_empty));
}
}
}
return NULL;
}
2.4 工作者线程处理函数
/***************************************************************************
* 工作线程处理函数
*函数名:
* workers_thread()
*参 数:
* threadpool ：包含线程池中所有的参数
*作 用:
* 等待分配任务并执行之
*内 容:
* 1）睡眠等待分配任务
* 2）是否终结本线程
* 3）从任务队列上取任务，更改线程busy状态
* 4）执行任务
* 5）恢复为空闲状态
*缺 点：
* 使用了太多的互斥锁和条件变量，效率上值得商榷
****************************************************************************/
void *workers_thread(void *threadpool)
{
threadpool_t *pool = (threadpool_t *)thr eadpool;
threadpool_task_t task;
while(1) {
/* Lock must be taken to wait on condition variable */
/* 刚创建出线程，等待任务队列里面有任务，否则阻塞等待任务队列里有任务再唤醒
* 接收任务
*/
pthread_mutex_lock(&(pool->lock));
/* queue_size == 0 说明没有任务，调wait 阻塞在条件变量上，若有任务，跳过该while */
while((pool->queue_size == 0) && (!pool->shutdown)) {
printf("Workers'thread ID 0x%x is waiting\n", (unsigned int)pthread_self());
pthread_cond_wait(&(pool->queue_not_empty), &(pool->lock));
/* 清除指定数目的空闲线程，如果要结束的线程个数大于0，结束线程 */
if (pool->wait_exit_thr_num > 0) {
/* 如果线程池里的线程个数大于最小值时可以结束当前线程 */
if (pool->live_thread_num > pool->min_thread_num) {
printf("Workers'thread ID 0x%x is exiting\n", (unsigned int)pthread_self());
pool->live_thread_num--;
pool->wait_exit_thr_num--;
pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));
pthread_exit(NULL);
}
}
}
/*如果关闭了线程池，自行退出处理*/
if (pool->shutdown == 1) {
printf("Workers'thread ID 0x%x is exiting\n", (unsigned int)pthread_self());
pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));
pthread_exit(NULL);
}
/*从任务队列里获取任务，是一个出队操作*/
task.function = pool->task_queue[pool->queue_front].function;
task.arg = pool->task_queue[pool->queue_front].arg;
/*出队，模拟环形队列*/
pool->queue_front = (pool->queue_front + 1) % pool->queue_max_size;
pool->queue_size--;
/*通知可以有新的任务添加进来*/
pthread_cond_broadcast(&(pool->queue_not_full));
/*任务取出后，立即将线程池锁释放*/
pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));
/*设置当前线程忙状态*/
pthread_mutex_lock(&(pool->thread_counter)); /*忙状态线程数变量锁*/
pool->busy_thread_num++; /*忙状态线程数+1*/
pthread_mutex_unlock(&(pool->thread_counter));
/*执行任务*/
(*(task.function))(task.arg);
/*由忙状态切换为空闲状态*/
pthread_mutex_lock(&(pool->thread_counter));
pool->busy_thread_num--;
pthread_mutex_unlock(&(pool->thread_counter));
}
return NULL;
}
2.5 任务的添加
/***************************************************************************
* 向线程池的任务队列中添加一个任务
*函数名:
* threadpool_add()
*参 数:
* pool : 使用的线程池
* function ：任务的执行函数
* arg ：任务执行参数的参数
*作 用:
* 向线程池的任务队列中添加一个任务
*内 容:
* 1）任务队列是否已满
* 2）添加任务
* 3）唤醒在任务队列上睡眠的线程
*缺 点：
* 使用了太多的互斥锁和条件变量，效率上值得商榷
****************************************************************************/
int threadpool_add(threadpool_t *pool, void *function(void *arg), void *arg)
{
pthread_mutex_lock(&(pool->lock));
/*为真，队列已满，调wait等待*/
while ((pool->queue_size == pool->queue_max_size) && (!pool->shutdown)) {
pthread_cond_wait(&(pool->queue_not_empty), &(pool->lock));
}
if (pool->shutdown) {
pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));
return 0;
}
/*清空工作线程 调用回调函数的参数 arg*/
if (pool->task_queue[pool->queue_rear].arg != NULL) {
free(pool->task_queue[pool->queue_rear].arg);
pool->task_queue[pool->queue_rear].arg = NULL;
}
/*添加任务到任务队列里面*/
pool->task_queue[pool->queue_rear].function = function;
pool->task_queue[pool->queue_rear].arg = arg;
pool->queue_rear = (pool->queue_rear + 1) % pool->queue_max_size;
pool->queue_size++;
/*添加完任务后，队列不为空，唤醒线程池中等待处理任务的线程*/
pthread_cond_signal(&(pool->queue_not_empty));
pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));
return 0;
}
2.6 线程池的销毁
/***************************************************************************
* 销毁线程池
*函数名:
* threadpool_distory()
*参 数:
* threadpool : 要销毁的线程池
*作 用:
* 销毁线程池
*内 容:
* 1）发送任务，销毁线程
* 2）回收线程资源
*缺 点：
* 无
****************************************************************************/
int threadpool_distory(threadpool_t *pool)
{
int i;
if (pool == NULL) {
return -1;
}
pool->shutdown = 1;
/*先销毁管理线程*/
pthread_join(pool->manager_tid, NULL);
for (i = 0; i < pool->live_thread_num; i++) {/*通知所有空闲线程*/
pthread_cond_broadcast(&(pool->queue_not_empty));
}
for (i = 0; i < pool->live_thread_num; i++) {/*回收所有管理者线程资源*/
pthread_join(pool->workers_tid[i], NULL);
}
threadpool_free(pool);
return 0;
}
/***************************************************************************
* 释放线程池资源
*函数名:
* threadpool_free()
*参 数:
* threadpool : 要释放的线程池
*作 用:
* 释放线程池资源
*内 容:
* 1）释放任务队列
* 2）销毁互斥锁和条件变量
* 3）释放线程池
*缺 点：
* 无
****************************************************************************/
int threadpool_free(threadpool_t *pool)
{
if (pool == NULL) {
printf("thread pool is already free\n");
return -1;
}
if (pool->task_queue) {
free(pool->task_queue);
}
if (pool->workers_tid) {
free(pool->workers_tid);
pthread_mutex_lock(&(pool->lock));
pthread_mutex_destroy(&(pool->lock));
pthread_mutex_lock(&(pool->thread_counter));
pthread_mutex_destroy(&(pool->thread_counter));
pthread_cond_destroy(&(pool->queue_not_empty));
pthread_cond_destroy(&(pool->queue_not_full));
}
free(pool);
pool = NULL;
return 0;
}
2.7 其他接口
/***************************************************************************
* 判断当前线程是否存在
*函数名:
* is_thread_alive()
*参 数:
* tid : 待查询的线程PID
*作 用:
* 判断当前线程是否存在
*内 容:
* 1）发送0信号来判断
*缺 点：
* 无
****************************************************************************/
int is_thread_alive(pthread_t tid)
{
int kill_rc = pthread_kill(tid, 0); /*发0号信号，测试线程是否存活*/
if (kill_rc == ESRCH) {
return 0;
}
return 1;
}
2.9 测试demo
/***************************************************************************
* 以下为测试demo
*函数名:
* process()
*参 数:
* arg : 任务参数
*作 用:
* 任务处理函数
*内 容:
* 1）执行任务
*缺 点：
* 无
****************************************************************************/
/* 线程池中的线程，模拟处理业务 */
void process(void *arg)
{
printf("thread 0x%x working on task %d\n", (unsigned int)pthread_self(),
*(int *)arg);
sleep(1);
printf("task %d is end\n", *(int *)arg);
}
int main(int argc, char **argv)
{
int num[20], i;
/*threadpool_t *threadpool_create(int min_thread_num, int max_thread_num, int queue_max_size)*/
/* 创建线程池，池里最小3个线程，最大100，队列最大100 */
threadpool_t *thp = threadpool_create(3, 100, 100);
if (thp == NULL) {
printf("threadpool_create fail\n");
return 0;
}
printf("pool init\n");
for (i = 0; i < 20; i++) {
num[i] = i;
printf("add task %d\n", i);
/* 向线程池中添加任务 */
threadpool_add(thp, (void *)&process, (void *)&num[i]);
}
/*等待子线程完成任务*/
sleep(30);
threadpool_distory(thp);
return 0;
}
代码实现参考文章：
linux进程间通信—本地socket套接字(六)—线程池原理及C语言实现线程池
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