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一个简单线程池的编写

线程池

定义一个简单的线程池,主要结构包括两个,一个是任务,一个是线程池。
任务池中维护者线程队列和任务数组,线程队列中的子线程会循环从任务数组中提取任务,任务的添加和线程的消费是一对生产者和消费者,在任务满了和不足的时候需要用条件变量锁定,停止添加任务和取出任务。

以下是结构体


```cpp
typedef struct 
{
    void *(*function)(void *);          /* 函数指针,回调函数 */
    void *arg;                          /* 上面函数的参数 */
} threadpool_task_t;                    /* 各子线程任务结构体 */

/* 描述线程池相关信息 */
struct threadpool_t 
{
    pthread_mutex_t lock;               /* 用于锁住本结构体 */    
    pthread_mutex_t thread_counter;     /* 记录忙状态线程个数de琐 -- busy_thr_num */

    pthread_cond_t queue_not_full;      /* 当任务队列满时,添加任务的线程阻塞,等待此条件变量 */
    pthread_cond_t queue_not_empty;     /* 任务队列里不为空时,通知等待任务的线程 */

    pthread_t *threads;                 /* 存放线程池中每个线程的tid。数组 */
    pthread_t adjust_tid;               /* 存管理线程tid */
    threadpool_task_t *task_queue;      /* 任务队列(数组首地址) */

    int min_thr_num;                    /* 线程池最小线程数 */
    int max_thr_num;                    /* 线程池最大线程数 */
    int live_thr_num;                   /* 当前存活线程个数 */
    int busy_thr_num;                   /* 忙状态线程个数 */
    int wait_exit_thr_num;              /* 要销毁的线程个数 */

    int queue_front;                    /* task_queue队头下标 */
    int queue_rear;                     /* task_queue队尾下标 */
    int queue_size;                     /* task_queue队中实际任务数 */
    int queue_max_size;                 /* task_queue队列可容纳任务数上限 */

    int shutdown;                       /* 标志位,线程池使用状态,true或false */
};


在这里插入图片描述

初始化线程池各个变量的值
threadpool_t *threadpool_create(int min_thr_num, int max_thr_num, int queue_max_size);
初始化线程池中的值,该初始化的初始化,该开辟空间的开辟空间
初始化所有的锁和条件变量 启动最小工作线程,设置线程分离属性,通过参数min_thr_num决定启动的线程数量
创建管理者线程adjust_tid,回调函数为adjust,参数为线程池 代码调用失败记得释放空间

向线程池中 添加一个任务
int threadpool_add(threadpool_t pool, void(*function)(void *arg), void *arg);
加锁
任务已满阻塞等待条件变量
线程池处于关闭状态解锁退出(pool->shutdown记录了是否关闭的状态)
添加任务
解锁
任务已发布,叫人做任务(条用条件变量接触没任务做的工作线程的阻塞)

线程池中各个工作线程
void *threadpool_thread(void *threadpool)
创建线程池指针接收参数
创建任务副本
循环处理任务
加锁
先判断状态:线程池处于开启,如果没有任务,阻塞等待信号
判断是否有线程需要结束,有的话先把空闲线程数–,在线程个数是否大于最小值,如果大于借宿自己
判断线程池是否处于开启状态,没开自爆,
获取任务,并将任务出队
通知有新的任务可以加进来
并且立即将锁解了
执行任务(注意执行任务的时候,需要记录忙碌线程+1,使用时记得挂锁)

管理线程 使用循环和sleep完成定时对线程池线程数量的维护
void *adjust_thread(void *threadpool);
接收参数
当线程池为非关闭状态的时候开始循环,关闭状态自爆
停一个更新时间方便其他线程工作
上锁记录:任务数,忙着的线程数,存货的线程数
自定义算法来控制线程的增删,记得上锁(比如创建新线程 算法: 任务数大于最小线程池个数, 且存活的线程数少于最大线程个数时,销毁多余的空闲线程 算法:忙线程X2 小于 存活的线程数 且 存活的线程数 大于 最小线程数时。)

具体代码如下:

#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <errno.h>
#include "pthreadpool.h"

#define DEFAULT_TIME 10                 /*10s检测一次*/
#define MIN_WAIT_TASK_NUM 10            /*如果queue_size > MIN_WAIT_TASK_NUM 添加新的线程到线程池*/ 
#define DEFAULT_THREAD_VARY 10          /*每次创建和销毁线程的个数*/
#define true 1
#define false 0

typedef struct 
{
    void *(*function)(void *);          /* 函数指针,回调函数 */
    void *arg;                          /* 上面函数的参数 */
} threadpool_task_t;                    /* 各子线程任务结构体 */

/* 描述线程池相关信息 */
struct threadpool_t 
{
    pthread_mutex_t lock;               /* 用于锁住本结构体 */    
    pthread_mutex_t thread_counter;     /* 记录忙状态线程个数de琐 -- busy_thr_num */

    pthread_cond_t queue_not_full;      /* 当任务队列满时,添加任务的线程阻塞,等待此条件变量 */
    pthread_cond_t queue_not_empty;     /* 任务队列里不为空时,通知等待任务的线程 */

    pthread_t *threads;                 /* 存放线程池中每个线程的tid。数组 */
    pthread_t adjust_tid;               /* 存管理线程tid */
    threadpool_task_t *task_queue;      /* 任务队列(数组首地址) */

    int min_thr_num;                    /* 线程池最小线程数 */
    int max_thr_num;                    /* 线程池最大线程数 */
    int live_thr_num;                   /* 当前存活线程个数 */
    int busy_thr_num;                   /* 忙状态线程个数 */
    int wait_exit_thr_num;              /* 要销毁的线程个数 */

    int queue_front;                    /* task_queue队头下标 */
    int queue_rear;                     /* task_queue队尾下标 */
    int queue_size;                     /* task_queue队中实际任务数 */
    int queue_max_size;                 /* task_queue队列可容纳任务数上限 */

    int shutdown;                       /* 标志位,线程池使用状态,true或false */
};

void *threadpool_thread(void *threadpool);

void *adjust_thread(void *threadpool);

int is_thread_alive(pthread_t tid);
int threadpool_free(threadpool_t *pool);

//threadpool_create(3,100,100);  
threadpool_t *threadpool_create(int min_thr_num, int max_thr_num, int queue_max_size)
{
    int i;
    threadpool_t *pool = NULL;
    do 
	{
        if((pool = (threadpool_t *)malloc(sizeof(threadpool_t))) == NULL) 
		{  
            printf("malloc threadpool fail");
            break;                                      /*跳出do while*/
        }

        pool->min_thr_num = min_thr_num;
        pool->max_thr_num = max_thr_num;
        pool->busy_thr_num = 0;
        pool->live_thr_num = min_thr_num;               /* 活着的线程数 初值=最小线程数 */
        pool->wait_exit_thr_num = 0;
        pool->queue_size = 0;                           /* 有0个产品 */
        pool->queue_max_size = queue_max_size;
        pool->queue_front = 0;
        pool->queue_rear = 0;
        pool->shutdown = false;                         /* 不关闭线程池 */

        /* 根据最大线程上限数, 给工作线程数组开辟空间, 并清零 */
        pool->threads = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t)*max_thr_num); 
        if (pool->threads == NULL) 
		{
            printf("malloc threads fail");
            break;
        }
        memset(pool->threads, 0, sizeof(pthread_t)*max_thr_num);

        /* 队列开辟空间 */
        pool->task_queue = (threadpool_task_t *)malloc(sizeof(threadpool_task_t)*queue_max_size);
        if (pool->task_queue == NULL) 
		{
            printf("malloc task_queue fail\n");
            break;
        }

        /* 初始化互斥琐、条件变量 */
        if (pthread_mutex_init(&(pool->lock), NULL) != 0
                || pthread_mutex_init(&(pool->thread_counter), NULL) != 0
                || pthread_cond_init(&(pool->queue_not_empty), NULL) != 0
                || pthread_cond_init(&(pool->queue_not_full), NULL) != 0)
        {
            printf("init the lock or cond fail\n");
            break;
        }

		//启动工作线程
		pthread_attr_t attr;
		pthread_attr_init(&attr);
		pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
        for (i = 0; i < min_thr_num; i++) 
		{
            pthread_create(&(pool->threads[i]), &attr, threadpool_thread, (void *)pool);/*pool指向当前线程池*/
            printf("start thread 0x%x...\n", (unsigned int)pool->threads[i]);
        }

		//创建管理者线程
        pthread_create(&(pool->adjust_tid), &attr, adjust_thread, (void *)pool);

        return pool;

    } while (0);

	/* 前面代码调用失败时,释放poll存储空间 */
    threadpool_free(pool);

    return NULL;
}

/* 向线程池中 添加一个任务 */
//threadpool_add(thp, process, (void*)&num[i]);   /* 向线程池中添加任务 process: 小写---->大写*/

int threadpool_add(threadpool_t *pool, void*(*function)(void *arg), void *arg)
{
    pthread_mutex_lock(&(pool->lock));

    /* ==为真,队列已经满, 调wait阻塞 */
    while ((pool->queue_size == pool->queue_max_size) && (!pool->shutdown)) 
	{
        pthread_cond_wait(&(pool->queue_not_full), &(pool->lock));
    }

    if (pool->shutdown) 
	{
        pthread_cond_broadcast(&(pool->queue_not_empty));
        pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));
        return 0;
    }

    /* 清空 工作线程 调用的回调函数 的参数arg */
    if (pool->task_queue[pool->queue_rear].arg != NULL) 
	{
        pool->task_queue[pool->queue_rear].arg = NULL;
    }

    /*添加任务到任务队列里*/
    pool->task_queue[pool->queue_rear].function = function;
    pool->task_queue[pool->queue_rear].arg = arg;
    pool->queue_rear = (pool->queue_rear + 1) % pool->queue_max_size;       /* 队尾指针移动, 模拟环形 */
    pool->queue_size++;

    /*添加完任务后,队列不为空,唤醒线程池中 等待处理任务的线程*/
    pthread_cond_signal(&(pool->queue_not_empty));
    pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));

    return 0;
}

/* 线程池中各个工作线程 */
void *threadpool_thread(void *threadpool)
{
    threadpool_t *pool = (threadpool_t *)threadpool;
    threadpool_task_t task;

    while (true) 
	{
        /* Lock must be taken to wait on conditional variable */
        /*刚创建出线程,等待任务队列里有任务,否则阻塞等待任务队列里有任务后再唤醒接收任务*/
        pthread_mutex_lock(&(pool->lock));

        /*queue_size == 0 说明没有任务,调 wait 阻塞在条件变量上, 若有任务,跳过该while*/
        while ((pool->queue_size == 0) && (!pool->shutdown)) 
		{  
            printf("thread 0x%x is waiting\n", (unsigned int)pthread_self());
            pthread_cond_wait(&(pool->queue_not_empty), &(pool->lock));//暂停到这

            /*清除指定数目的空闲线程,如果要结束的线程个数大于0,结束线程*/
            if (pool->wait_exit_thr_num > 0) 
			{
                pool->wait_exit_thr_num--;

                /*如果线程池里线程个数大于最小值时可以结束当前线程*/
                if (pool->live_thr_num > pool->min_thr_num) 
				{
                    printf("thread 0x%x is exiting\n", (unsigned int)pthread_self());
                    pool->live_thr_num--;
                    pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));
					//pthread_detach(pthread_self());
                    pthread_exit(NULL);
                }
            }
        }

        /*如果指定了true,要关闭线程池里的每个线程,自行退出处理---销毁线程池*/
        if (pool->shutdown) 
		{
            pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));
            printf("thread 0x%x is exiting\n", (unsigned int)pthread_self());
            //pthread_detach(pthread_self());
            pthread_exit(NULL);     /* 线程自行结束 */
        }

        /*从任务队列里获取任务, 是一个出队操作*/
        task.function = pool->task_queue[pool->queue_front].function;
        task.arg = pool->task_queue[pool->queue_front].arg;

        pool->queue_front = (pool->queue_front + 1) % pool->queue_max_size;       /* 出队,模拟环形队列 */
        pool->queue_size--;

        /*通知可以有新的任务添加进来*/
        pthread_cond_broadcast(&(pool->queue_not_full));

        /*任务取出后,立即将 线程池琐 释放*/
        pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));

        /*执行任务*/ 
        printf("thread 0x%x start working\n", (unsigned int)pthread_self());
        pthread_mutex_lock(&(pool->thread_counter));                            /*忙状态线程数变量琐*/
        pool->busy_thr_num++;                                                   /*忙状态线程数+1*/
        pthread_mutex_unlock(&(pool->thread_counter));

        (*(task.function))(task.arg);                                           /*执行回调函数任务*/
        //task.function(task.arg);                                              /*执行回调函数任务*/

        /*任务结束处理*/ 
        printf("thread 0x%x end working\n", (unsigned int)pthread_self());
        pthread_mutex_lock(&(pool->thread_counter));
        pool->busy_thr_num--;                                       /*处理掉一个任务,忙状态数线程数-1*/
        pthread_mutex_unlock(&(pool->thread_counter));
    }

    pthread_exit(NULL);
}

/* 管理线程 */
void *adjust_thread(void *threadpool)
{
    int i;
    threadpool_t *pool = (threadpool_t *)threadpool;
    while (!pool->shutdown) 
	{

        sleep(DEFAULT_TIME);                                    /*定时 对线程池管理*/

        pthread_mutex_lock(&(pool->lock));
        int queue_size = pool->queue_size;                      /* 关注 任务数 */
        int live_thr_num = pool->live_thr_num;                  /* 存活 线程数 */
        pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));

        pthread_mutex_lock(&(pool->thread_counter));
        int busy_thr_num = pool->busy_thr_num;                  /* 忙着的线程数 */
        pthread_mutex_unlock(&(pool->thread_counter));

        /* 创建新线程 算法: 任务数大于最小线程池个数, 且存活的线程数少于最大线程个数时 如:30>=10 && 40<100*/
        if (queue_size >= MIN_WAIT_TASK_NUM && live_thr_num < pool->max_thr_num) 
		{
            pthread_mutex_lock(&(pool->lock));  
            int add = 0;

            /*一次增加 DEFAULT_THREAD 个线程*/
            for (i = 0; i < pool->max_thr_num && add < DEFAULT_THREAD_VARY
                    && pool->live_thr_num < pool->max_thr_num; i++) 
			{
                if (pool->threads[i] == 0 || !is_thread_alive(pool->threads[i])) 
				{
                    pthread_create(&(pool->threads[i]), NULL, threadpool_thread, (void *)pool);
                    add++;
                    pool->live_thr_num++;
                }
            }

            pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));
        }

        /* 销毁多余的空闲线程 算法:忙线程X2 小于 存活的线程数 且 存活的线程数 大于 最小线程数时*/
        if ((busy_thr_num * 2) < live_thr_num  &&  live_thr_num > pool->min_thr_num) 
		{
            /* 一次销毁DEFAULT_THREAD个线程, 隨機10個即可 */
            pthread_mutex_lock(&(pool->lock));
            pool->wait_exit_thr_num = DEFAULT_THREAD_VARY;      /* 要销毁的线程数 设置为10 */
            pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));

            for (i = 0; i < DEFAULT_THREAD_VARY; i++) 
			{
                /* 通知处在空闲状态的线程, 他们会自行终止*/
                pthread_cond_signal(&(pool->queue_not_empty));
            }
        }
    }

    return NULL;
}

int threadpool_destroy(threadpool_t *pool)
{
    int i;
    if (pool == NULL) 
	{
        return -1;
    }
    pool->shutdown = true;

    /*先销毁管理线程*/
    //pthread_join(pool->adjust_tid, NULL);

    for (i = 0; i < pool->live_thr_num; i++) 
	{
        /*通知所有的空闲线程*/
        pthread_cond_broadcast(&(pool->queue_not_empty));
    }

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

    threadpool_free(pool);

    return 0;
}

int threadpool_free(threadpool_t *pool)
{
    if (pool == NULL) 
	{
        return -1;
    }

    if (pool->task_queue) 
	{
        free(pool->task_queue);
    }

    if (pool->threads) 
	{
        free(pool->threads);
        pthread_mutex_lock(&(pool->lock));
        pthread_mutex_destroy(&(pool->lock));
        pthread_mutex_lock(&(pool->thread_counter));
        pthread_mutex_destroy(&(pool->thread_counter));
        pthread_cond_destroy(&(pool->queue_not_empty));
        pthread_cond_destroy(&(pool->queue_not_full));
    }

    free(pool);
    pool = NULL;

    return 0;
}

int threadpool_all_threadnum(threadpool_t *pool)
{
    int all_threadnum = -1;

    pthread_mutex_lock(&(pool->lock));
    all_threadnum = pool->live_thr_num;
    pthread_mutex_unlock(&(pool->lock));

    return all_threadnum;
}

int threadpool_busy_threadnum(threadpool_t *pool)
{
    int busy_threadnum = -1;

    pthread_mutex_lock(&(pool->thread_counter));
    busy_threadnum = pool->busy_thr_num;
    pthread_mutex_unlock(&(pool->thread_counter));

    return busy_threadnum;
}

int is_thread_alive(pthread_t tid)
{
    int kill_rc = pthread_kill(tid, 0);     //发0号信号,测试线程是否存活
    if (kill_rc == ESRCH) 
	{
        return false;
    }

    return true;
}

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