Linux下设计一个简单的线程池

定义

什么是线程池？简单点说，线程池就是有一堆已经创建好了的线程，初始它们都处于空闲等待状态，当有新的任务需要处理的时候，就从这个池子里面取一个空闲等待的线程来处理该任务，当处理完成了就再次把该线程放回池中，以供后面的任务使用。当池子里的线程全都处理忙碌状态时，线程池中没有可用的空闲等待线程，此时，根据需要选择创建一个新的线程并置入池中，或者通知任务线程池忙，稍后再试。

为什么要用线程池？

我们说，线程的创建和销毁比之进程的创建和销毁是轻量级的，但是当我们的任务需要大量进行大量线程的创建和销毁操作时，这个消耗就会变成的相当大。比如，当你设计一个压力性能测试框架的时候，需要连续产生大量的并发操作，这个是时候，线程池就可以很好的帮上你的忙。线程池的好处就在于线程复用，一个任务处理完成后，当前线程可以直接处理下一个任务，而不是销毁后再创建，非常适用于连续产生大量并发任务的场合。

线程池工作原理

线程池中每一个线程的工作过程如下：



图 1： 线程的工作流程
线程池的任务就在于负责这些线程的创建，销毁和任务处理参数传递、唤醒和等待。
1. 创建若干线程，置入线程池
2. 任务达到时，从线程池取空闲线程
3. 取得了空闲线程，立即进行任务处理
4. 否则新建一个线程，并置入线程池，执行3
5. 如果创建失败或者线程池已满，根据设计策略选择返回错误或将任务置入处理队列，等待处理
6. 销毁线程池



图 2：线程池的工作原理

线程池设计

数据结构设计

任务设计

view
plain

typedef struct tp_work_desc_s TpWorkDesc;

typedef void (*process_job)(TpWorkDesc*job);

struct tp_work_desc_s {

void *ret; //call in, that is arguments

void *arg; //call out, that is return value

};

其中，TpWorkDesc是任务参数描述，arg是传递给任务的参数，ret则是任务处理完成后的返回值；

process_job函数是任务处理函数原型，每个任务处理函数都应该这样定义，然后将它作为参数传给线程池处理，线程池将会选择一个空闲线程通过调用该函数来进行任务处理；

线程设计

view
plain

typedef struct tp_thread_info_s TpThreadInfo;

struct tp_thread_info_s {

pthread_t thread_id; //thread id num

TPBOOL is_busy; //thread status:true-busy;flase-idle

pthread_cond_t thread_cond;

pthread_mutex_t thread_lock;

process_job proc_fun;

TpWorkDesc* th_job;

TpThreadPool* tp_pool;

};

TpThreadInfo是对一个线程的描述。

thread_id是该线程的ID；

is_busy用于标识该线程是否正处理忙碌状态；

thread_cond用于任务处理时的唤醒和等待；

thread_lock，用于任务加锁（此处保留）；

proc_fun是当前任务的回调函数地址；

th_job是任务的参数信息；

tp_pool是所在线程池的指针；

线程池设计

view
plain

typedef struct tp_thread_pool_s TpThreadPool;

struct tp_thread_pool_s {

unsigned min_th_num; //min thread number in the pool

unsigned cur_th_num; //current thread number in the pool

unsigned max_th_num; //max thread number in the pool

pthread_mutex_t tp_lock;

pthread_t manage_thread_id; //manage thread id num

TpThreadInfo* thread_info;

Queue idle_q;

TPBOOL stop_flag;

};

TpThreadPool是对线程池的描述。

min_th_num是线程池中至少存在的线程数，线程池初始化的过程中会创建min_th_num数量的线程；

cur_th_num是线程池当前存在的线程数量；

max_th_num则是线程池最多可以存在的线程数量；

tp_lock用于线程池管理时的互斥；

manage_thread_id是线程池的管理线程ID；

thread_info则是指向线程池数据，这里使用一个数组来存储线程池中线程的信息，该数组的大小为max_th_num；

idle_q是存储线程池空闲线程指针的队列，用于从线程池快速取得空闲线程；

stop_flag用于线程池的销毁，当stop_flag为FALSE时，表明当前线程池需要销毁，所有忙碌线程在处理完当前任务后会退出；

算法设计

线程池的创建和初始化

线程创建

创建伊始，线程池线程容量大小上限为max_th_num，初始容量为min_th_num；

view
plain

TpThreadPool *tp_create(unsigned min_num, unsigned max_num) {

TpThreadPool *pTp;

pTp = (TpThreadPool*) malloc(sizeof(TpThreadPool));

memset(pTp, 0, sizeof(TpThreadPool));

//init member var

pTp->min_th_num = min_num;

pTp->cur_th_num = min_num;

pTp->max_th_num = max_num;

pthread_mutex_init(&pTp->tp_lock, NULL);

//malloc mem for num thread info struct

if (NULL != pTp->thread_info)

free(pTp->thread_info);

pTp->thread_info = (TpThreadInfo*) malloc(sizeof(TpThreadInfo) * pTp->max_th_num);

memset(pTp->thread_info, 0, sizeof(TpThreadInfo) * pTp->max_th_num);

return pTp;

}

线程初始化

view
plain

TPBOOL tp_init(TpThreadPool *pTp) {

int i;

int err;

TpThreadInfo *pThi;

initQueue(&pTp->idle_q);

pTp->stop_flag = FALSE;

//create work thread and init work thread info

for (i = 0; i < pTp->min_th_num; i++) {

pThi = pTp->thread_info +i;

pThi->tp_pool = pTp;

pThi->is_busy = FALSE;

pthread_cond_init(&pThi->thread_cond, NULL);

pthread_mutex_init(&pThi->thread_lock, NULL);

pThi->proc_fun = def_proc_fun;

pThi->th_job = NULL;

enQueue(&pTp->idle_q, pThi);

err = pthread_create(&pThi->thread_id, NULL, tp_work_thread, pThi);

if (0 != err) {

perror("tp_init: create work thread failed.");

clearQueue(&pTp->idle_q);

return FALSE;

}

}

//create manage thread

err = pthread_create(&pTp->manage_thread_id, NULL, tp_manage_thread, pTp);

if (0 != err) {

clearQueue(&pTp->idle_q);

printf("tp_init: creat manage thread failed\n");

return FALSE;

}

return TRUE;

}

初始线程池中线程数量为min_th_num，对这些线程一一进行初始化；

将这些初始化的空闲线程一一置入空闲队列；

创建管理线程，用于监控线程池的状态，并适当回收多余的线程资源；

线程池的关闭和销毁

view
plain

void tp_close(TpThreadPool *pTp, TPBOOL wait) {

unsigned i;

pTp->stop_flag = TRUE;

if (wait) {

for (i = 0; i < pTp->cur_th_num; i++) {

pthread_cond_signal(&pTp->thread_info[i].thread_cond);

}

for (i = 0; i < pTp->cur_th_num; i++) {

pthread_join(pTp->thread_info[i].thread_id, NULL);

pthread_mutex_destroy(&pTp->thread_info[i].thread_lock);

pthread_cond_destroy(&pTp->thread_info[i].thread_cond);

}

} else {

//close work thread

for (i = 0; i < pTp->cur_th_num; i++) {

kill((pid_t)pTp->thread_info[i].thread_id, SIGKILL);

pthread_mutex_destroy(&pTp->thread_info[i].thread_lock);

pthread_cond_destroy(&pTp->thread_info[i].thread_cond);

}

}

//close manage thread

kill((pid_t)pTp->manage_thread_id, SIGKILL);

pthread_mutex_destroy(&pTp->tp_lock);

//free thread struct

free(pTp->thread_info);

pTp->thread_info = NULL;

}

线程池关闭的过程中，可以选择是否对正在处理的任务进行等待，如果是，则会唤醒所有任务，然后等待所有任务执行完成，然后返回；如果不是，则将立即杀死所有线程，然后返回，注意：这可能会导致任务的处理中断而产生错误！

任务处理

view
plain

TPBOOL tp_process_job(TpThreadPool *pTp, process_job proc_fun, TpWorkDesc *job) {

TpThreadInfo *pThi ;

//fill pTp->thread_info's relative work key

pthread_mutex_lock(&pTp->tp_lock);

pThi = (TpThreadInfo *) deQueue(&pTp->idle_q);

pthread_mutex_unlock(&pTp->tp_lock);

if(pThi){

pThi->is_busy =TRUE;

pThi->proc_fun = proc_fun;

pThi->th_job = job;

pthread_cond_signal(&pThi->thread_cond);

DEBUG("Fetch a thread from pool.\n");

return TRUE;

}

//if all current thread are busy, new thread is created here

pthread_mutex_lock(&pTp->tp_lock);

pThi = tp_add_thread(pTp);

pthread_mutex_unlock(&pTp->tp_lock);

if(!pThi){

DEBUG("The thread pool is full, no more thread available.\n");

return FALSE;

}

DEBUG("No more idle thread, created a new one.\n");

pThi->proc_fun = proc_fun;

pThi->th_job = job;

//send cond to work thread

pthread_cond_signal(&pThi->thread_cond);

return TRUE;

}

当一个新任务到达是，线程池首先会检查是否有可用的空闲线程，如果是，则采用才空闲线程进行任务处理并返回TRUE，如果不是，则尝试新建一个线程，并使用该线程对任务进行处理，如果失败则返回FALSE，说明线程池忙碌或者出错。

view
plain

static void *tp_work_thread(void *arg) {

pthread_t curid;//current thread id

TpThreadInfo *pTinfo = (TpThreadInfo *) arg;

//wait cond for processing real job.

while (!(pTinfo->tp_pool->stop_flag)) {

pthread_mutex_lock(&pTinfo->thread_lock);

pthread_cond_wait(&pTinfo->thread_cond, &pTinfo->thread_lock);

pthread_mutex_unlock(&pTinfo->thread_lock);

//process

pTinfo->proc_fun(pTinfo->th_job);

//thread state be set idle after work

//pthread_mutex_lock(&pTinfo->thread_lock);

pTinfo->is_busy = FALSE;

enQueue(&pTinfo->tp_pool->idle_q, pTinfo);

//pthread_mutex_unlock(&pTinfo->thread_lock);

DEBUG("Job done, I am idle now.\n");

}

}

上面这个函数是任务处理函数，该函数将始终处理等待唤醒状态，直到新任务到达或者线程销毁时被唤醒，然后调用任务处理回调函数对任务进行处理；当任务处理完成时，则将自己置入空闲队列中，以供下一个任务处理。

view
plain

TpThreadInfo *tp_add_thread(TpThreadPool *pTp) {

int err;

TpThreadInfo *new_thread;

if (pTp->max_th_num <= pTp->cur_th_num)

return NULL;

//malloc new thread info struct

new_thread = pTp->thread_info + pTp->cur_th_num;

new_thread->tp_pool = pTp;

//init new thread's cond & mutex

pthread_cond_init(&new_thread->thread_cond, NULL);

pthread_mutex_init(&new_thread->thread_lock, NULL);

//init status is busy, only new process job will call this function

new_thread->is_busy = TRUE;

err = pthread_create(&new_thread->thread_id, NULL, tp_work_thread, new_thread);

if (0 != err) {

free(new_thread);

return NULL;

}

//add current thread number in the pool.

pTp->cur_th_num++;

return new_thread;

}

上面这个函数用于向线程池中添加新的线程，该函数将会在当线程池没有空闲线程可用时被调用。

函数将会新建一个线程，并设置自己的状态为busy（立即就要被用于执行任务）。

线程池管理

线程池的管理主要是监控线程池的整体忙碌状态，当线程池大部分线程处于空闲状态时，管理线程将适当的销毁一定数量的空闲线程，以便减少线程池对系统资源的消耗。

这里设计认为，当空闲线程的数量超过线程池线程数量的1/2时，线程池总体处理空闲状态，可以适当销毁部分线程池的线程，以减少线程池对系统资源的开销。

线程池状态计算

这里的BUSY_THRESHOLD的值是0.5，也即是当空闲线程数量超过一半时，返回0，说明线程池整体状态为闲，否则返回1，说明为忙。

view
plain

int tp_get_tp_status(TpThreadPool *pTp) {

float busy_num = 0.0;

int i;

//get busy thread number

busy_num = pTp->cur_th_num - pTp->idle_q.count;

DEBUG("Current thread pool status, current num: %u, busy num: %u, idle num: %u\n", pTp->cur_th_num, (unsigned)busy_num, pTp->idle_q.count);

//0.2? or other num?

if (busy_num / (pTp->cur_th_num) < BUSY_THRESHOLD)

return 0;//idle status

else

return 1;//busy or normal status

}

线程的销毁算法

1. 从空闲队列中dequeue一个空闲线程指针，该指针指向线程信息数组的某项，例如这里是p；

2. 销毁该线程

3. 把线程信息数组的最后一项拷贝至位置p

4. 线程池数量减少一，即cur_th_num--



图 3：线程销毁

view
plain

TPBOOL tp_delete_thread(TpThreadPool *pTp) {

unsigned idx;

TpThreadInfo *pThi;

TpThreadInfo tT;

//current thread num can't < min thread num

if (pTp->cur_th_num <= pTp->min_th_num)

return FALSE;

//pthread_mutex_lock(&pTp->tp_lock);

pThi = deQueue(&pTp->idle_q);

//pthread_mutex_unlock(&pTp->tp_lock);

if(!pThi)

return FALSE;

//after deleting idle thread, current thread num -1

pTp->cur_th_num--;

memcpy(&tT, pThi, sizeof(TpThreadInfo));

memcpy(pThi, pTp->thread_info + pTp->cur_th_num, sizeof(TpThreadInfo));

//kill the idle thread and free info struct

kill((pid_t)tT.thread_id, SIGKILL);

pthread_mutex_destroy(&tT.thread_lock);

pthread_cond_destroy(&tT.thread_cond);

return TRUE;

}

线程池监控

线程池通过一个管理线程来进行监控，管理线程将会每隔一段时间对线程池的状态进行计算，根据线程池的状态适当的销毁部分线程，减少对系统资源的消耗。

view
plain

static void *tp_manage_thread(void *arg) {

TpThreadPool *pTp = (TpThreadPool*) arg;//main thread pool struct instance

//1?

sleep(MANAGE_INTERVAL);

do {

if (tp_get_tp_status(pTp) == 0) {

do {

if (!tp_delete_thread(pTp))

break;

} while (TRUE);

}//end for if

//1?

sleep(MANAGE_INTERVAL);

} while (!pTp->stop_flag);

return NULL;

}

程序测试

至此，我们的设计需要使用一个测试程序来进行验证。于是，我们写下这样一段代码。

view
plain

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include "thread_pool.h"

#define THD_NUM 10

void proc_fun(TpWorkDesc *job){

int i;

int idx=*(int *)job->arg;

printf("Begin: thread %d\n", idx);

sleep(3);

printf("End: thread %d\n", idx);

}

int main(int argc, char **argv){

TpThreadPool *pTp= tp_create(5,10);

TpWorkDesc pWd[THD_NUM];

int i, *idx;

tp_init(pTp);

for(i=0; i < THD_NUM; i++){

idx=(int *) malloc(sizeof(int));

*idx=i;

pWd[i].arg=idx;

tp_process_job(pTp, proc_fun, pWd+i);

usleep(400000);

}

//sleep(1);

tp_close(pTp, TRUE);

free(pTp);

printf("All jobs done!\n");

return 0;

}

执行结果：

源码下载

地址：https://sourceforge.net/projects/thd-pool-linux/

备注

该线程池设计比较简单，尚存在不少BUG，欢迎各位提出改进意见。

转自：http://blog.csdn.net/hinyunsin/article/details/6650879