C语言线程池的实现

（一）线程池的组成：

           两个结构体： 任务结构体 和 线程池结构体

           定义如下：

          任务结构体：

          任务结构体有三个变量，分别是 任务执行的函数（函数指针），赋给任务的参数，任务的next指针。

struct task
{
void *(*task)(void *arg);   //指针函数（即这个任务要去做什么事情）
void *arg;		    //参数
struct task *next;	    //指向下一个任务的指针

};

           线程池结构体：

           注意：一个线程池结构体一共有 7个成员变量。

typedef struct thread_pool
{
pthread_mutex_t lock;//互斥锁
pthread_cond_t cond;//条件变量
struct task *task_list;//任务链表

pthread_t *tids;	//存储创建线程id号

unsigned waiting_tasks; 	//任务队列中正在等待的任务个数
unsigned active_threads;	//正在工作的线程个数
bool shutdown;			//开关标志

}thread_pool;

（二）线程池的操作函数：

        （1）线程池初始化函数：（输入的变量：  指向线程池的指针，创建的线程数目）

                初始化互斥锁，初始化条件变量，初始化任务链表，初始化 waiting_tashs为0，初始化 active_threads 为最大线程值，初始化要创建的线程，shutdown为 false

             

                步骤：

                 1.初始化互斥锁，条件变量

                 2.初始化任务链表表头，并把链表头 的next指针设成 NULL

                 3.等待任务数设置为0. 工作线程数设置为 threads_num

                 4/开关标志位设置为 falsh

                 5.for循环创建线程

bool pool_init(thread_pool *pool,unsigned int threads_num)//初始化线程池
{
int i;
pthread_mutex_init(&pool->lock,NULL);
pthread_cond_init(&pool->cond,NULL);

pool->task_list=malloc(sizeof(struct task));       //初始化任务链表
pool->waiting_tasks=0;
pool->active_threads=threads_num;
pool->shutdown=false;

pool->tids=malloc(sizeof(pthread_t)*MAX_ACTIVE_THREADS);       //MAX_ACTIVE_THREADS为一个宏，表示要能容纳的最大线程数
if(pool->task_list==NULL||pool->tids==NULL)
{
perror("allocate memory error");
return false;

}
pool->task_list->next=NULL;

for(i=0;i<pool->active_threads;i++)
{
if(pthread_create(&((pool->tids)[i]),NULL,routine,(void *)pool)!=0)
{
perror("create thread failed!\n");
return false;

}

}

return true;

}

（3）往线程池新增任务：

输入参数：线程池指针，任务要处理的函数指针，给任务的参数

步骤：

       1.创建新的任务结点，并把他的next置空

       2.给任务结点赋参数（指针函数，给任务的参数arg）

       3.给互斥锁上锁，因为准备操作共享资源（任务链表）

       4.把新建的任务结点插入到任务链表的结尾，线程池的等待任务数目+1

       5.互斥锁解锁。

bool add_task(thread_pool *pool,void *(*task)(void *arg),void *arg)
{
struct task *new_task=malloc(sizeof(struct task));
if(new_task==NULL)
{
perror("allocate memory error");
return false;

}

new_task->task=task;//任务存入新节点
new_task->arg=arg;
new_task->next=NULL;

pthread_mutex_lock(&pool->lock);
if(pool->waiting_tasks>=MAX_WAITING_TASKS)
{
pthread_mutex_unlock(&pool->lock);
fprintf(stderr,"too many tasks.\n");//任务太多添加失败
free(new_task);
return false;

}
//遍历链表，找到队列尾结点，以便把新结点加入

struct task *tmp=pool->task_list;
while(tmp->next!=NULL)
tmp=tmp->next;

tmp->next=new_task;
pool->waiting_tasks++;
pthread_mutex_unlock(&pool->lock);           //解互斥锁
pthread_cond_signal(&pool->cond);            //解锁后唤醒一个阻塞在条件变量的线程，因为线程被创建后执行的函数都会默认被阻塞
return true;

}

（4）往线程池新增线程

int add_thread(thread_pool *pool, unsigned additional_threads)
{
//增加线程数判断：如增加0条线程，则直接退出该函数
if(additional_threads == 0)
return 0;

//计算总线程数，用于循环创建线程时使用
unsigned total_threads = pool->active_threads + additional_threads;

int i, actual_increment = 0;             //actual_increment 为实际上增加的线程数

//循环创建指定数目的线程：不能超过最大线程数
for(i = pool->active_threads;
i < total_threads && i < MAX_ACTIVE_THREADS; i++)
{
//创建线程，并判断是否创建成功，失败提示并退出该函数
if(pthread_create(&((pool->tids)[i]),
NULL, thread_routine, (void *)pool) != 0)
{
perror("add threads error");

if(actual_increment == 0)
return -1;

break;
}

//实际新增加的线程数
actual_increment++;
}

//计算增加指定数目的线程后，线程池活动线程数加上实际成功增加的线程数
pool->active_threads += actual_increment;
return actual_increment;
}

（5）往线程池删除线程

int remove_thread(thread_pool *pool,unsigned int removing_threads)
{
if(removing_threads==0)
{
return pool->active_threads;
}
int remain_threads=pool->active_threads-removing_threads;
remain_threads=remain_threads>0 ? remain_threads:1;
int i;
for(i=pool->active_threads-1;i>remain_threads-1;i--)
{
errno=pthread_cancel(pool->tids[i]);              //删除线程是按照线程创建的顺序来删的
if(errno!=0)                                      //线程池中的线程不一定都能删除的，
{						  //因为在某线程在执行任务时，有个函数会让他暂时不能被删除
break;					  //下面会有解释的
}	                                          //所以这里就算pthread_cancel失败，也是break，而不是return
}
if(i==pool->active_threads-1)
return -1;
else
{
pool->active_threads=i+1;
return i+1;

}

}

（6）销毁线程池

bool destroy_pool(thread_pool *pool)
{
pool->shutdown = true;
pthread_cond_broadcast(&pool->cond);           //唤醒因条件变量沉睡的所有线程
int i;
for(i=0;i<pool->active_threads;i++)
{
errno=pthread_join(pool->tids[i],NULL);      //等待线程回收完毕
if(errno!=0)
{
printf("join tids[%d] error:%s\n",i,strerror(errno));

}
else
printf("[%u] is joined\n",(unsigned)pool->tids[i]);
}
free(pool->task_list);
free(pool->tids);
free(pool);
return true;
}

（7）线程创建后执行的函数，即线程功能函数（重点）

void *routine(void *arg)
{
thread_pool *pool = (thread_pool*)arg;
struct task *p;
while(1)
{
//从任务链表(head->next)中扣去节点
pthread_cleanup_push(handler,(void *)&pool->lock);
pthread_mutex_lock(&pool->lock);

//判断任务链表中是否有节点，没有就阻塞当前线程
while(pool->waiting_tasks == 0 && !pool->shutdown)          //这个循环的作用是，当没任务时让线程沉睡，有任务时循环取任务
{
pthread_cond_wait(&pool->cond,&pool->lock);            //让线程沉睡
}
if(pool->waiting_tasks==0&&pool->shutdown==true)            //shutdown=true也要等任务全执行完了才能删除线程池
{

pthread_mutex_unlock(&pool->lock);
pthread_exit(NULL);
}
p =pool->task_list->next;
pool->task_list->next =p->next;
pool->waiting_tasks--;

//解锁
pthread_mutex_unlock(&pool->lock);
pthread_cleanup_pop(0);

//处理刚才扣下来的那个节点任务
pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_DISABLE,NULL);       //禁止当前这个线程被其他线程调用pthread_cancel来删除
(p->task)(p->arg);                                       //执行任务
pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL);        //取消禁止删除效果
//释放定义的那个节点
free(p);

}
pthread_exit(NULL);//退出
}

上图中 pthread_cleanup_push 和 pthread_cleanup_pop的作用：
 线程有两种退出方式，有可能自己退出的，这是正常的退出方式，也有可能是非正常退出的，例如被其他线程取消，
试想一下，如果一个线程已经上锁了，还没解锁就被其他线程取消了，那这个锁就一直锁着，没办解开。因为就需要在互斥锁上锁前使用
pthread_cheanup_push(），这个函数可以在线程在非正常退出时，丢用指定函数来进行相应操作（解锁）
若线程并没有在互斥锁上锁时被非正常退出，就要调用 pthread_cleanup_pop（）来取消pthread_cleanup_push（）的操作。pthread_cleanup_pop一般用再解锁之后
所以这两个函数都是一对出现的

（8）线程池工作的基本逻辑：
1.首先 线程池初始化时 会创建出很多条线程，但他们没任务可执行时，就会调用条件变量cond，让自己沉睡。因此线程池一被创建，就躺着很多条沉睡的线程。
2.线程的执行函数中，有个while（1）循环，让线程有任务时执行任务，没任务时就调用pthread_cond_wait（）来沉睡。
3.当有任务加入线程池的任务列表时，会通过调用pthread_cond_signal（）来唤醒一条线程（add_task（）函数），然后线程执行完就继续执行下一条任务或沉睡。
4.当线程池中的 shundown变量变成true时，便会调用pthread_cond_broadcase（）唤醒所有沉睡的线程，使线程们自己退出