Linux操作系统学习（线程池）

线程池

线程池原理

​ 线程池是一种线程使用模式。在多线程应用中，若每有一个任务，线程就去调度相应的函数去创建，当任务过多时，每次都去调度且每次用完销毁，影响效率，加重CPU的负载；

​ 而线程池是提前创建好的一批线程（不固定长度），没任务时就挂起等待，有任务分配时就被唤醒，等待分配任务，但也要具体分场景，例如任务时间短，且任务量大的时候

​ 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

应用场景：

• 需要大量的线程来完成任务，且完成任务的时间比较短。 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，线程池的优点就不明显了。因为Telnet会话时间比线程的创建时间大多了

• 对性能要求苛刻的应用，比如要求服务器迅速响应客户请求

• 接受突发性的大量请求，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 有线程池情况下，将产生大量线程，虽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

代码示例

1. 创建一个任务队列和线程池
2. 外部向任务队列Push任务，任务队列唤醒线程池，并Pop给线程池，线程池分配出线程去执行任务

/*****************************************任务队列*************************************************/
#pragma once
#include <string>
#include <queue>
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <ctime>
#include <cstdlib>
#include "Task.hpp"namespace dd
{const int Num = 5;template <class T>class ThreadPool{
public:ThreadPool(int num = Num) : _num(num){pthread_mutex_init(&_mtx, nullptr);pthread_cond_init(&_cond, nullptr);}~ThreadPool() {pthread_mutex_destroy(&_mtx);pthread_cond_destroy(&_cond);}//加锁void Lock(){pthread_mutex_lock(&_mtx);}//解锁void Unlock(){pthread_mutex_unlock(&_mtx);}//判断空bool isEmpty(){return _task_queue.empty();}//唤醒条件变量的等待队列void WakeUp(){pthread_cond_signal(&_cond);}   //条件变量，挂起等待void wait(){pthread_cond_wait(&_cond,&_mtx);}//创建线程池void InitThreadPool(){pthread_t tid;for (int i = 0; i < num_; ++i){pthread_create(&tid, nullptr, Rountine, (void*)this);}}// 在类内要让线程执行类内成员函数是不可行的// 普通成员函数中，参数默认一个this指针// 需要调用静态方法static void* Rountine(void* args){//static函数不能访问类内成员和函数，所以让外面实例化的对象，调用Init通过this传进来ThreadPool<T>* tp = (ThreadPool<T>*)args;pthread_detach(pthread_self());while (true){// 从任务队列中拿任务 为了能拿任务队列里的东西，需要传递this指针tp->Lock();while (tp->isEmpty()) {tp->wait();}//拿任务T t;tp->Poptask(&t);tp->Unlock();//拿完任务，任务就属于调用Pop的那个线程了，不是临界资源了//执行任务，执行任务时就不用占着锁了t.Run();}}        //放任务，放任务时访问的是临界资源：任务队列，所以要上锁void Pushtask(const T& in){Lock();task_queue_.push(in);Unlock();WakeUp();}//拿任务，拿任务时的上下文是有锁的，所以不需要在这里上锁void Poptask(T* out){*out = task_queue_.front();task_queue_.pop();}  private:int _num;// 线程池中的线程数量std::queue<T> _task_queue;pthread_mutex_t _mtx;pthread_cond_t _cond;};
}/**********************************************************************************************/
#pragma once
#include <iostream>
#include <pthread.h>
namespace dd
{class Task
{
public:Task(){}Task(int x,int y,char op):_x(x),_y(y),_op(op){}int Run(){int ret = 0;switch(_op){case '+':ret = _x + _y;break;case '-':ret = _x - _y;break;case '*':ret = _x * _y;break;case '/':ret = _x / _y;break;case '%':ret = _x % _y;break;default:break;}//std::cout << _x << _op << _y << " = " << ret << std::endl;std::cout << pthread_self() << ": " << _x << _op << _y << " = " << ret << std::endl;}
private:int _x;int _y;char _op;};}/**********************************************************************************************/
#include "thread_pool.hpp"
#include "Task.hpp"
using namespace dd;
int main()
{ThreadPool<Task>* tp = new ThreadPool<Task>();//创建线程tp->InitThreadPool();srand((unsigned int)time(nullptr));while (true){// 主线程push任务 真实情况中 任务一般是从网络来的Task t(rand() % 20 + 1, rand() % 10 + 1, "+-*/%"[rand() % 5]);tp->pushtask(t);// sleep(1);}return 0;
}

单例模式

单例模式是指在整个系统生命周期内，保证在内存中，一个类只会创建且仅创建一次对象的设计模式，确保该类的唯一性

• 可以节省内存，节约资源，对于一般频繁创建和销毁对象的可以使用单例模式

• 可以避免对资源的多重占用

  ​ 例如在很多服务器开发场景中, 经常需要让服务器加载很多的数据 (上百G) 到内存中. 此时往往要用一个单例的类来管理这些数据；也就是这么大的数据在内存只需要有一份，避免数据冗余（例如动态库）

单例类的特点

• 构造函数和析构函数为私有类型，目的是禁止外部构造和析构
• 拷贝构造函数和赋值构造函数是私有类型，目的是禁止外部拷贝和赋值，确保实例的唯一性
• 类中的成员变量是静态的，静态的无论实例化多少对象，都只有（公用）一个静态成员变量
• 类中要有一个获取实例的静态方法，可以全局访问

单例模式可以分为两种模式：饿汉模式、懒汉模式

饿汉模式

注意几点细节：

• 需要将构造函数，拷贝构造函数，赋值运行符重载函数屏蔽，防止在外部实例化对象

• 在类中创建一个静态类对象，该静态类对象，会在程序运行时创建，需要在类外初始化

• 类中写一个接口（静态），返回静态类对象的地址。因为无法调用拷贝构造，不能直接返回类对象

template <typename T>
class Singleton 
{static T data;//static Singleton<T> dataSingelTon() = delete;SingelTon(const SingelTon& st) = delete;;SingelTon& operator=(const SingelTon& st) = delete;public:static T* GetInstance() {return &data;}
};
template<class T>
T Singleton::data = /**/;
//Singleton<T> Singleton::data = /**/;

​ 吃完饭, 立刻洗碗, 这种就是饿汉方式. 因为下一顿吃的时候可以立刻拿着碗就能吃饭；也就是系统一运行，就初始化创建实例，当需要时，直接调用即可。这种方式本身就可以保证线程安全，没有多线程的线程安全问题

懒汉模式

懒汉模式注意的细节：

• 需要将构造函数，拷贝构造函数，赋值运行符重载函数屏蔽，防止在外部实例化对象。
• 在类中成员包含一个类对象指针，而不是对象。
• 类中写一个接口（静态），用户返回创建后的对象（但只能调用一次）
• 因为是需要时才会创建，所以需要考虑线程安全问题，保证多线程下只能创建一个对象

template <class T>
class Singleton 
{volatile static T* inst; // 需要设置 volatile 关键字, 否则可能被编译器优化.static std::mutex lock;Singleton(){pthread_mutex_init(&lock,nullptr);}~Singleton(){pthread_mutex_destroy(&lock);}Singleton(const Singleton<T>& sl) = delete;Singleton<T>& operator=(Singleton<T> sl) = delete;public:static T* GetInstance() {if (inst == NULL) { 				// 双重判定空指针, 降低争锁冲突, 提高性能.lock.lock(); // 使用互斥锁, 保证多线程情况下也只调用一次 new.if (inst == NULL) {inst = new T();}lock.unlock();}return inst;}
};
//类外初始化静态成员
template <class T>
T* Singleton::inst = nullptr;

​ 吃完饭, 先把碗放下, 然后下一顿饭用到这个碗了再洗碗, 就是懒汉方式；也就是系统运行中，实例并不存在，只有当需要使用该实例时，才会去创建并使用实例。这种方式要考虑线程安全问题

饿汉懒汉对比

饿汉模式

• 优点：

  • 实现简单，不需要考虑线程安全问题。

• 缺点：

  • 启动慢。如果实例的对象占用资源很多，在启动时需要加载。

  • 如果多个单例类对象，在程序启动时实例对象的顺序不确定。如果对象之间有依赖关系，就麻烦了。

懒汉模式

• 优点：

  • 启动快。在需要时才会实例化对象，加载资源。

  • 多个单例类对象，实例化的顺序可以确定。取决于调用类的函数的顺序。

• 缺点：

  • 实现复杂。需要考虑线程安全问题。

其他的锁

• 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，被阻塞挂起。
• 乐观锁：每次取数据时候，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。主要采用两种方式：版本号机制和CAS操作。
• CAS操作：当需要更新数据时，判断当前内存值和之前取得的值是否相等。如果相等则用新值更新。若不等 则失败，失败则重试，一般是一个自旋的过程，即不断重试。