深入剖析Linux C语言中的线程池实现

2024-01-13 04:02:05





## 多进程与多线程网络服务器模型的优缺点

在深入探讨线程池的实现之前，我们先来回顾一下多进程和多线程网络服务器模型的优缺点，以便更好地理解线程池的优势。

### 多进程网络服务器模型

优点：

* 进程是独立的，彼此之间互不影响。
* 每个进程都有自己的内存空间，因此一个进程崩溃不会影响其他进程。
* 进程可以很容易地创建和销毁。

缺点：

* 进程创建和销毁的开销很大。
* 进程之间通信需要通过进程间通信（IPC）机制，这会带来额外的开销。
* 进程无法共享内存，因此需要使用共享内存或其他机制来实现数据共享。

### 多线程网络服务器模型

优点：

* 线程是轻量级的，创建和销毁的开销很小。
* 线程共享同一个内存空间，因此数据共享很容易实现。
* 线程之间通信不需要通过IPC机制，因此开销很小。

缺点：

* 线程不是独立的，彼此之间可能会互相影响。
* 一个线程崩溃可能会导致整个进程崩溃。

## 线程池的引入

从上面的比较可以看出，多线程网络服务器模型在性能方面具有明显的优势，但同时也存在一些缺点。为了解决这些缺点，人们提出了线程池的概念。

线程池是一个预先创建好的线程集合，当需要执行任务时，可以从线程池中获取一个线程来执行任务。当任务执行完成后，线程会返回到线程池中，等待下一个任务的到来。

线程池的主要优点在于：

* 可以减少线程创建和销毁的开销。
* 可以提高线程的利用率。
* 可以更容易地管理线程。

## Linux C语言中线程池的实现

下面我们来看一下如何在Linux C语言中实现一个简单的线程池。

首先，我们需要创建一个线程池结构体，用来存储线程池的相关信息。

```c
typedef struct {
    pthread_t *threads;
    int num_threads;
    int max_threads;
    pthread_mutex_t lock;
    pthread_cond_t cond;
    int shutdown;
} threadpool_t;

threads: 线程池中的线程数组。
num_threads: 线程池中当前的线程数量。
max_threads: 线程池中最大的线程数量。
lock: 线程池的锁。
cond: 线程池的条件变量。
shutdown: 线程池的关闭标志。

接下来，我们需要创建一个线程池初始化函数。

threadpool_t *threadpool_create(int num_threads, int max_threads) {
    threadpool_t *pool = (threadpool_t *)malloc(sizeof(threadpool_t));
    if (pool == NULL) {
        return NULL;
    }

    pool->threads = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * max_threads);
    if (pool->threads == NULL) {
        free(pool);
        return NULL;
    }

    pool->num_threads = 0;
    pool->max_threads = max_threads;
    pthread_mutex_init(&pool->lock, NULL);
    pthread_cond_init(&pool->cond, NULL);
    pool->shutdown = 0;

    for (int i = 0; i < num_threads; i++) {
        pthread_create(&pool->threads[i], NULL, threadpool_thread, pool);
    }

    return pool;
}

num_threads: 线程池中要创建的线程数量。
max_threads: 线程池中最大的线程数量。

这个函数首先分配内存空间给线程池结构体和线程数组，然后初始化线程池中的各种字段。接下来，它创建指定数量的线程，并把这些线程添加到线程池中。

接下来，我们需要创建一个线程池销毁函数。

void threadpool_destroy(threadpool_t *pool) {
    pthread_mutex_lock(&pool->lock);
    pool->shutdown = 1;
    pthread_cond_broadcast(&pool->cond);
    pthread_mutex_unlock(&pool->lock);

    for (int i = 0; i < pool->max_threads; i++) {
        pthread_join(pool->threads[i], NULL);
    }

    free(pool->threads);
    pthread_mutex_destroy(&pool->lock);
    pthread_cond_destroy(&pool->cond);
    free(pool);
}

这个函数首先把线程池的关闭标志设置为1，然后广播条件变量，唤醒所有正在等待任务的线程。接下来，它等待所有线程退出，然后释放线程池的资源。

最后，我们需要创建一个线程池任务提交函数。

void threadpool_add_task(threadpool_t *pool, void *(*task)(void *), void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&pool->lock);

    while (pool->num_threads == pool->max_threads) {
        pthread_cond_wait(&pool->cond, &pool->lock);
    }

    pool->num_threads++;
    pthread_mutex_unlock(&pool->lock);

    pthread_create(&pool->threads[pool->num_threads - 1], NULL, task, arg);
}

pool: 线程池。
task: 要提交的任务函数。
arg: 任务函数的参数。

这个函数首先把线程池的锁加锁，然后检查线程池中当前的线程数量是否已经达到最大值。如果是，则等待条件变量被唤醒。接下来，它把线程池中的线程数量加1，并把任务函数和参数添加到线程池中。最后，它创建一个新的线程来执行任务。