线程池

线程池

应用程序可以有多个线程，这些线程在休眠状态中需要耗费大量时间来等待事件发生。其他线程可能进入睡眠状态，并且仅定期被唤醒以轮循更改或更新状态信息，然后再次进入休眠状态。为了简化对这些线程的管理，.NET框架为每个进程提供了一个线程池，一个线程池有若干个等待操作状态，当一个等待操作完成时，线程池中的辅助线程会执行回调函数。线程池中的线程由系统管理，程序员不需要费力于线程管理，可以集中精力处理应用程序任务。

线程池是一种多线程处理形式，处理过程中将任务添加到队列，然后在创建线程后自动启动这些任务。线程池线程都是后台线程.每个线程都使用默认的堆栈大小,以默认的优先级运行,并处于多线程单元中.如果某个线程在托管代码中空闲(如正在等待某个事件),则线程池将插入另一个辅助线程来使所有处理器保持繁忙.如果所有线程池线程都始终保持繁忙,但队列中包含挂起的工作,则线程池将在一段时间后创建另一个辅助线程但线程的数目永远不会超过最大值.超过最大值的线程可以排队,但他们要等到其他线程完成后才启动。

不使用线程池情况

如果需要使一个任务具有特定优先级

如果具有可能会长时间运行（并因此阻塞其他任务）的任务

如果需要将线程放置到单线程单元中（线程池中的线程均处于多线程单元中）

如果需要永久标识来标识和控制线程，比如想使用专用线程来终止该线程，将其挂起或按名称发现它

条件变量

与互斥锁不同，条件变量是用来等待而不是用来上锁的。条件变量用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。通常条件变量和互斥锁同时使用。
条件变量使我们可以睡眠等待某种条件出现。条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；另一个线程使"条件成立"（给出条件成立信号）。

条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。如果两进程共享可读写的内存，条件变量可以被用来实现这两进程间的线程同步。
使用条件变量之前要先进行初始化。可以在单个语句中生成和初始化一个条件变量如：
pthread_cond_tmy_condition=PTHREAD_COND_INITIALIZER;（用于进程间线程的通信）。
也可以利用函数pthread_cond_init动态初始化。

条件变量函数

条件变量初始化

#include< pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t*attr);
参数：cond条件变量，attr条件变量属性

返回值：成功返回0，出错返回错误编号。
说明：pthread_cond_init函数可以用来初始化一个条件变量。它使用变量attr所指定的属性来初始化一个条件变量，如果参数attr为空，那么它将使用缺省的属性来设置所指定的条件变量。

条件变量摧毁

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
参数：cond条件变量
返回值：成功返回0，出错返回错误编号。
说明：pthread_cond_destroy函数可以用来摧毁所指定的条件变量，同时将会释放所给它分配的资源。调用该函数的进程也并不要求等待在参数所指定的条件变量上

条件变量等待

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_tmytex,const struct timespec *abstime);

参数：cond条件变量，mutex互斥锁
返回值：成功返回0，出错返回错误编号。

说明：第一个参数*cond是指向一个条件变量的指针，第二个参数*mutex则是对相关的互斥锁的指针。函数pthread_cond_timedwait函数类型与函数pthread_cond_wait区别在于，如果达到或是超过所引用的参数*abstime,它将结束并返回错误ETIME。pthread_cond_timedwait函数的参数*abstime指向一个timespec结构。该结构如下：
typedefstruct timespec{
time_ttv_sec;
longtv_nsex;
}timespec_t;

条件变量通知

intpthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
intpthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
参数:cond条件变量

成功返回0，出错返回错误编号。
说明：参数*cond是对类型为pthread_cond_t的一个条件变量的指针。当调用pthread_cond_signal时一个在相同条件变量上阻塞的线程将被解锁。如果同时有多个线程阻塞，则由调度策略确定接收通知的线程。如果调用pthread_cond_broadcast，则将通知阻塞在这个条件变量上的所有线程。一旦被唤醒，线程仍然会要求互斥锁。如果当前没有线程等待通知，则上面两种调用实际上成为一个空操作。如果参数*cond指向非法地址，则返回值EINVAL。

线程池示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <pthread.h>
#include <assert.h>

/*
*线程池里所有运行和等待的任务都是一个CThread_worker
*由于所有任务都在链表里，所以是一个链表结构
*/
typedef struct worker
{
/*回调函数，任务运行时会调用此函数，注意也可声明成其它形式*/
void *(*process) (void *arg);
void *arg;/*回调函数的参数*/
struct worker *next;
} CThread_worker;

/*线程池结构*/
typedef struct
{
pthread_mutex_t queue_lock;
pthread_cond_t queue_ready;

/*链表结构，线程池中所有等待任务*/
CThread_worker *queue_head;

/*是否销毁线程池*/
int shutdown;
pthread_t *threadid;
/*线程池中允许的活动线程数目*/
int max_thread_num;
/*当前等待队列的任务数目*/
int cur_queue_size;
} CThread_pool;

/*线程池初始化*/
void pool_init (int max_thread_num);

/*向线程池中加入任务*/
int pool_add_worker (void *(*) (void *), void *);

/*销毁线程池，等待队列中的任务不会再被执行；但是正在运行的线程会一直把任务运行完后再退出*/
int pool_destroy ();

/*线程正常执行*/
void *thread_routine (void *);

/*执行的回调函数*/
void *myprocess (void *);

static CThread_pool *pool = NULL;
void pool_init (int max_thread_num)
{
pool = (CThread_pool *) malloc (sizeof (CThread_pool));

pthread_mutex_init (&(pool->queue_lock), NULL);
/*初始化条件变量*/
pthread_cond_init (&(pool->queue_ready), NULL);

pool->queue_head = NULL;

pool->max_thread_num = max_thread_num;
pool->cur_queue_size = 0;

pool->shutdown = 0;

pool->threadid = (pthread_t *) malloc (max_thread_num * sizeof (pthread_t));
int i = 0;
for (i = 0; i < max_thread_num; i++)
{
pthread_create (&(pool->threadid[i]), NULL, thread_routine, NULL);
}
}

/*向线程池中加入任务*/
int pool_add_worker (void *(*process) (void *arg), void *arg)
{
/*构造一个新任务*/
CThread_worker *newworker = (CThread_worker *) malloc (sizeof (CThread_worker));
newworker->process = process;
newworker->arg = arg;
newworker->next = NULL;/*别忘置空*/

pthread_mutex_lock (&(pool->queue_lock));
/*将任务加入到等待队列中*/
CThread_worker *member = pool->queue_head;
if (member != NULL)
{
while (member->next != NULL)
member = member->next;
member->next = newworker;
}
else
{
pool->queue_head = newworker;
}

assert (pool->queue_head != NULL);

pool->cur_queue_size++;
pthread_mutex_unlock (&(pool->queue_lock));
/*等待队列中有任务了，唤醒一个等待线程；
注意如果所有线程都在忙碌，这句没有任何作用*/
pthread_cond_signal (&(pool->queue_ready));
return 0;
}

/*销毁线程池，等待队列中的任务不会再被执行；但是正在运行的线程会一直把任务运行完后再退出*/
int pool_destroy ()
{
if (pool->shutdown)
return -1;/*防止两次调用*/
pool->shutdown = 1;

/*唤醒所有等待线程，线程池要销毁了*/
pthread_cond_broadcast (&(pool->queue_ready));

/*阻塞等待线程退出，否则就成僵尸了*/
int i;
for (i = 0; i < pool->max_thread_num; i++)
pthread_join (pool->threadid[i], NULL);
free (pool->threadid);

/*销毁等待队列*/
CThread_worker *head = NULL;
while (pool->queue_head != NULL)
{
head = pool->queue_head;
pool->queue_head = pool->queue_head->next;
free (head);
}
/*条件变量和互斥量也别忘了销毁*/
pthread_mutex_destroy(&(pool->queue_lock));
pthread_cond_destroy(&(pool->queue_ready));

free (pool);
/*销毁后指针置空是个好习惯*/
pool=NULL;
return 0;
}

/*线程正常执行*/
void *thread_routine (void *arg)
{
printf ("starting thread 0x%x\n", pthread_self ());
while (1)
{
pthread_mutex_lock (&(pool->queue_lock));
/*如果等待队列为0并且不销毁线程池，则处于阻塞状态; 注意
pthread_cond_wait是一个原子操作，等待前会解锁，唤醒后会加锁*/
while (pool->cur_queue_size == 0 && !pool->shutdown)
{
printf ("thread 0x%x is waiting\n", pthread_self ());
pthread_cond_wait (&(pool->queue_ready), &(pool->queue_lock));
}

/*线程池要销毁了*/
if (pool->shutdown)
{
/*遇到break,continue,return等跳转语句，千万不要忘记先解锁*/
pthread_mutex_unlock (&(pool->queue_lock));
printf ("thread 0x%x will exit\n", pthread_self ());
pthread_exit (NULL);
}

printf ("thread 0x%x is starting to work\n", pthread_self ());

/*assert是调试的好帮手*/
assert (pool->cur_queue_size != 0);
assert (pool->queue_head != NULL);

/*等待队列长度减去1，并取出链表中的头元素*/
pool->cur_queue_size--;
CThread_worker *worker = pool->queue_head;
pool->queue_head = worker->next;
pthread_mutex_unlock (&(pool->queue_lock));

/*调用回调函数，执行任务*/
(*(worker->process)) (worker->arg);
free (worker);
worker = NULL;
}
/*这一句应该是不可达的*/
pthread_exit (NULL);
}

/*执行的回调函数*/
void *myprocess (void *arg)
{
printf ("threadid is 0x%x, working on task %d\n", pthread_self (),*(int *) arg);
sleep (1);/*休息一秒，延长任务的执行时间*/
return NULL;
}

int main (int argc, char **argv)
{
pool_init (3);/*线程池中最多三个活动线程*/

/*连续向池中投入10个任务*/
int *workingnum = (int *) malloc (sizeof (int) * 10);
int i;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
workingnum[i] = i;
pool_add_worker (myprocess, &workingnum[i]);
}
/*等待所有任务完成*/
sleep (5);
/*销毁线程池*/
pool_destroy ();

free (workingnum);
return 0;
}

在linux下编译运行：

#gcc -lpthread pthread.c -o pthread

#./pthread