linux多线程-----------＞线程池的介绍和使用

通俗一点来说线程池就是将线程放在这个"水池"中，我们可以加水也可以防水对吧？其实线程池也是这样的，主要的任务是新建进程
和销毁进程来管理整个线程池。

我们可以想象这么一种情况，面对一个要接收多个任务的情况，我们正常的做法就是，来一个任务我就新建一个线程去处理，
然后任务处理完了就要销毁这个线程，就要一直去关注情况是怎么样的，极大的消耗了资源。

在这种情况下就诞生了一种处理线程新的机制---------------线程池

所谓线程池，我们可以将它比喻成一个水池一样，水满的时候防水，没有水的时候加水，保持一个有水的动态平衡状态。

结构讲解：
线程池是一个抽象的概念，其内部由任务队列，一堆线程，管理者线程组成；

在这里插入图片描述

在各个编程语言的语种中都有线程池的概念，并且很多语言中直接提供了线程池，作为程序猿直接使用就可以了，下面给大家介绍一下线程池的实现原理：

线程池的组成主要分为 3 个部分，这三部分配合工作就可以得到一个完整的线程池：

任务队列，存储需要处理的任务，由工作的线程来处理这些任务
通过线程池提供的 API 函数，将一个待处理的任务添加到任务队列，或者从任务队列中删除
已处理的任务会被从任务队列中删除
线程池的使用者，也就是调用线程池函数往任务队列中添加任务的线程就是生产者线程
工作的线程（任务队列任务的消费者），N个
线程池中维护了一定数量的工作线程，他们的作用是是不停的读任务队列，从里边取出任务并处理
工作的线程相当于是任务队列的消费者角色，
如果任务队列为空，工作的线程将会被阻塞 (使用条件变量 / 信号量阻塞)
如果阻塞之后有了新的任务，由生产者将阻塞解除，工作线程开始工作

3.管理者线程（不处理任务队列中的任务），1个
它的任务是周期性的对任务队列中的任务数量以及处于忙状态的工作线程个数进行检测
当任务过多的时候，可以适当的创建一些新的工作线程
当任务过少的时候，可以适当的销毁一些工作的线程

我们可以将线程池比作一个工地，包工头就是管理者线程，农民工就是工作线程，而我们的任务队列就是这些农民工要去做的事情。

一个任务就用一个函数来显示，其中有函数名以及对应的参数，我们可以用一个结构体表示

// 任务结构体
typedef struct Task
{
    void (*function)(void* arg);
    void* arg;
}Task;

那么线程池就可以这么表示：

// 线程池结构体
struct ThreadPool
{
    // 任务队列
    Task* taskQ;
    int queueCapacity;  // 容量
    int queueSize;      // 当前任务个数
    int queueFront;     // 队头 -> 取数据
    int queueRear;      // 队尾 -> 放数据

    pthread_t managerID;    // 管理者线程ID
    pthread_t *threadIDs;   // 工作的线程ID
    int minNum;             // 最小线程数量
    int maxNum;             // 最大线程数量
    int busyNum;            // 忙的线程的个数
    int liveNum;            // 存活的线程的个数
    int exitNum;            // 要销毁的线程个数
    pthread_mutex_t mutexPool;  // 锁整个的线程池
    pthread_mutex_t mutexBusy;  // 锁busyNum变量
    pthread_cond_t notFull;     // 任务队列是不是满了
    pthread_cond_t notEmpty;    // 任务队列是不是空了

    int shutdown;           // 是不是要销毁线程池, 销毁为1, 不销毁为0
};

这个结构体中有相应的注释，一个工地的应该有忙的工人，也有不忙的工人，如果任务量太大就需要新增工人，如果工人的量太大任务量少就要裁员工，所以要有相应的结构体成员来表示忙的工人，最多，最少能有多少人，要裁掉的工人等等，这样才能反映一个完整工地的情况。

那么我们已经有了这个结构体之后呢就可以去添加对应的函数 (操作)


typedef struct ThreadPool ThreadPool;
// 创建线程池并初始化
ThreadPool *threadPoolCreate(int min, int max, int queueSize);

// 销毁线程池
int threadPoolDestroy(ThreadPool* pool);

// 给线程池添加任务
void threadPoolAdd(ThreadPool* pool, void(*func)(void*), void* arg);

// 获取线程池中工作的线程的个数
int threadPoolBusyNum(ThreadPool* pool);

// 获取线程池中活着的线程的个数
int threadPoolAliveNum(ThreadPool* pool);

//
// 工作的线程(消费者线程)任务函数
void* worker(void* arg);
// 管理者线程任务函数
void* manager(void* arg);
// 单个线程退出
void threadExit(ThreadPool* pool);

这些是我们要进行的操作声明，

然后我们要将这些操作给一一实现

ThreadPool* threadPoolCreate(int min, int max, int queueSize)
{
    ThreadPool* pool = (ThreadPool*)malloc(sizeof(ThreadPool));
    do 
    {
        if (pool == NULL)
        {
            printf("malloc threadpool fail...\n");
            break;
        }

        pool->threadIDs = (pthread_t*)malloc(sizeof(pthread_t) * max);
        if (pool->threadIDs == NULL)
        {
            printf("malloc threadIDs fail...\n");
            break;
        }
        memset(pool->threadIDs, 0, sizeof(pthread_t) * max);
        pool->minNum = min;
        pool->maxNum = max;
        pool->busyNum = 0;
        pool->liveNum = min;    // 和最小个数相等
        pool->exitNum = 0;

        if (pthread_mutex_init(&pool->mutexPool, NULL) != 0 ||
            pthread_mutex_init(&pool->mutexBusy, NULL) != 0 ||
            pthread_cond_init(&pool->notEmpty, NULL) != 0 ||
            pthread_cond_init(&pool->notFull, NULL) != 0)
        {
            printf("mutex or condition init fail...\n");
            break;
        }

        // 任务队列
        pool->taskQ = (Task*)malloc(sizeof(Task) * queueSize);
        pool->queueCapacity = queueSize;
        pool->queueSize = 0;
        pool->queueFront = 0;
        pool->queueRear = 0;

        pool->shutdown = 0;

        // 创建线程
        pthread_create(&pool->managerID, NULL, manager, pool);
        for (int i = 0; i < min; ++i)
        {
            pthread_create(&pool->threadIDs[i], NULL, worker, pool);
        }
        return pool;
    } while (0);

    // 释放资源
    if (pool && pool->threadIDs) free(pool->threadIDs);
    if (pool && pool->taskQ) free(pool->taskQ);
    if (pool) free(pool);

    return NULL;
}

int threadPoolDestroy(ThreadPool* pool)
{
    if (pool == NULL)
    {
        return -1;
    }

    // 关闭线程池
    pool->shutdown = 1;
    // 阻塞回收管理者线程
    pthread_join(pool->managerID, NULL);
    // 唤醒阻塞的消费者线程
    for (int i = 0; i < pool->liveNum; ++i)
    {
        pthread_cond_signal(&pool->notEmpty);
    }
    // 释放堆内存
    if (pool->taskQ)
    {
        free(pool->taskQ);
    }
    if (pool->threadIDs)
    {
        free(pool->threadIDs);
    }

    pthread_mutex_destroy(&pool->mutexPool);
    pthread_mutex_destroy(&pool->mutexBusy);
    pthread_cond_destroy(&pool->notEmpty);
    pthread_cond_destroy(&pool->notFull);

    free(pool);
    pool = NULL;

    return 0;
}


void threadPoolAdd(ThreadPool* pool, void(*func)(void*), void* arg)
{
    pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
    while (pool->queueSize == pool->queueCapacity && !pool->shutdown)
    {
        // 阻塞生产者线程
        pthread_cond_wait(&pool->notFull, &pool->mutexPool);
    }
    if (pool->shutdown)
    {
        pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
        return;
    }
    // 添加任务
    pool->taskQ[pool->queueRear].function = func;
    pool->taskQ[pool->queueRear].arg = arg;
    pool->queueRear = (pool->queueRear + 1) % pool->queueCapacity;
    pool->queueSize++;

    pthread_cond_signal(&pool->notEmpty);
    pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
}

int threadPoolBusyNum(ThreadPool* pool)
{
    pthread_mutex_lock(&pool->mutexBusy);
    int busyNum = pool->busyNum;
    pthread_mutex_unlock(&pool->mutexBusy);
    return busyNum;
}

int threadPoolAliveNum(ThreadPool* pool)
{
    pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
    int aliveNum = pool->liveNum;
    pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
    return aliveNum;
}

void* worker(void* arg)
{
    ThreadPool* pool = (ThreadPool*)arg;

    while (1)
    {
        pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
        // 当前任务队列是否为空
        while (pool->queueSize == 0 && !pool->shutdown)
        {
            // 阻塞工作线程
            pthread_cond_wait(&pool->notEmpty, &pool->mutexPool);

            // 判断是不是要销毁线程
            if (pool->exitNum > 0)
            {
                pool->exitNum--;
                if (pool->liveNum > pool->minNum)
                {
                    pool->liveNum--;
                    pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
                    threadExit(pool);
                }
            }
        }

        // 判断线程池是否被关闭了
        if (pool->shutdown)
        {
            pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
            threadExit(pool);
        }

        // 从任务队列中取出一个任务
        Task task;
        task.function = pool->taskQ[pool->queueFront].function;
        task.arg = pool->taskQ[pool->queueFront].arg;
        // 移动头结点
        pool->queueFront = (pool->queueFront + 1) % pool->queueCapacity;
        pool->queueSize--;
        // 解锁
        pthread_cond_signal(&pool->notFull);
        pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);

        printf("thread %ld start working...\n", pthread_self());
        pthread_mutex_lock(&pool->mutexBusy);
        pool->busyNum++;
        pthread_mutex_unlock(&pool->mutexBusy);
        task.function(task.arg);
        free(task.arg);
        task.arg = NULL;

        printf("thread %ld end working...\n", pthread_self());
        pthread_mutex_lock(&pool->mutexBusy);
        pool->busyNum--;
        pthread_mutex_unlock(&pool->mutexBusy);
    }
    return NULL;
}

void* manager(void* arg)
{
    ThreadPool* pool = (ThreadPool*)arg;
    while (!pool->shutdown)
    {
        // 每隔3s检测一次
        sleep(3);

        // 取出线程池中任务的数量和当前线程的数量
        pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
        int queueSize = pool->queueSize;
        int liveNum = pool->liveNum;
        pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);

        // 取出忙的线程的数量
        pthread_mutex_lock(&pool->mutexBusy);
        int busyNum = pool->busyNum;
        pthread_mutex_unlock(&pool->mutexBusy);

        // 添加线程
        // 任务的个数>存活的线程个数 && 存活的线程数<最大线程数
        if (queueSize > liveNum && liveNum < pool->maxNum)
        {
            pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
            int counter = 0;
            for (int i = 0; i < pool->maxNum && counter < NUMBER
                && pool->liveNum < pool->maxNum; ++i)
            {
                if (pool->threadIDs[i] == 0)
                {
                    pthread_create(&pool->threadIDs[i], NULL, worker, pool);
                    counter++;
                    pool->liveNum++;
                }
            }
            pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
        }
        // 销毁线程
        // 忙的线程*2 < 存活的线程数 && 存活的线程>最小线程数
        if (busyNum * 2 < liveNum && liveNum > pool->minNum)
        {
            pthread_mutex_lock(&pool->mutexPool);
            pool->exitNum = NUMBER;
            pthread_mutex_unlock(&pool->mutexPool);
            // 让工作的线程自杀
            for (int i = 0; i < NUMBER; ++i)
            {
                pthread_cond_signal(&pool->notEmpty);
            }
        }
    }
    return NULL;
}

void threadExit(ThreadPool* pool)
{
    pthread_t tid = pthread_self();
    for (int i = 0; i < pool->maxNum; ++i)
    {
        if (pool->threadIDs[i] == tid)
        {
            pool->threadIDs[i] = 0;
            printf("threadExit() called, %ld exiting...\n", tid);
            break;
        }
    }
    pthread_exit(NULL);
}

将这些函数写完了以后呢我们的线程池就已经完成了，接下来我们会举一个简单的例子去使用这个线程池，

void taskFunc(void* arg)//我们的任务函数
{
    int num = *(int*)arg;
    printf("thread %ld is working, number = %d\n",
        pthread_self(), num);
    sleep(1);
}

int main()
{
    // 创建线程池
    ThreadPool* pool = threadPoolCreate(3, 10, 100);
    for (int i = 0; i < 100; ++i)
    {
        int* num = (int*)malloc(sizeof(int));
        *num = i + 100;
        threadPoolAdd(pool, taskFunc, num);
    }

    sleep(30);

    threadPoolDestroy(pool);
    return 0;
}

运行结果如下：
在这里插入图片描述

一般编程语言中有线程池这个概念，我们不必一个一个写出来，只需要理解原理就好了，最好能够手撸线程池，对你将多多益善

linux多线程-----------＞线程池的介绍和使用

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