Linux编程之内存池的设计与实现（C++98）

假设服务器的硬件资源“充裕”，那么提高服务器性能的一个很直接的方法就是空间换时间，即“浪费”服务器的硬件资源，以换取其运行效率。提升服务器性能的一个重要方法就是采用“池”的思路，即对一组资源在服务器启动之初就被完全创建好并初始化，这称为静态资源分配。当服务器进入正式运行阶段，即开始处理客户端请求时，如果它需要相关资源就可以直接从池中获取，无需动态分配。很显然，直接从池中取得所需要资源比动态分配资源的速度快得多，因为分配系统资源的系统调用都是很耗时的。当服务器处理完一个客户端连接后，可以把相关资源放回池中，无须执行系统调用释放资源。从最终效果来看，资源分配和回收的系统调用只发生在服务器的启动和结束，这种“池”的方式避免了中间的任务处理过程对内核的频繁访问，提高了服务器的性能。我们常用的线程池和内存池都是基于以上“池”的优势所设计出来的提升服务器性能的方法，今天打算以C++98设计一个基于Linux系统的简单线程池。

为什么要采用线程池？

首先想一想，我们一般的服务器都是动态创建子线程来实现并发服务器的，比如每当有一个客户端请求建立连接时我们就动态调用pthread_create去创建线程去处理该连接请求。这种模式有什么缺点呢？

• 动态创建线程是比较费时的，这将到导致较慢的客户响应。
• 动态创建的子线程通常只用来为一个客户服务，这将导致系统上产生大量的细微线程，线程切换也会耗费CPU时间。

所以我们为了进一步提升服务器性能，可以采取“池”的思路，把线程的创建放在程序的初始化阶段一次完成，这就避免了动态创建线程导致服务器响应请求的性能下降。

线程池的设计思路

1. 以单例模式设计线程池，保证线程池全剧唯一；
2. 在获取线程池实例进行线程池初始化：线程预先创建+任务队列创建；
3. 创建一个任务类，我们真实的任务会继承该类，完成任务执行。

根据以上思路我们可以给出这么一个线程池类的框架：

class ThreadPool
{
private:
    std::queue<Task*> taskQueue;   //任务队列
    bool isRunning;           //线程池运行标志
    pthread_t* pThreadSet;  //指向线程id集合的指针
    int threadsNum;         //线程数目
    pthread_mutex_t mutex;    //互斥锁
    pthread_cond_t condition;   //条件变量

    //单例模式，保证全局线程池只有一个
    ThreadPool(int num=10);
    void createThreads();  //创建内存池
    void clearThreads();  //回收线程
    void clearQueue();  //清空任务队列
    static void* threadFunc(void* arg);
    Task* takeTask();  //工作线程获取任务

public:
    void addTask(Task* pTask);   //任务入队
    static ThreadPool* createThreadPool(int num=10); //静态方法，用于创建线程池实例
    ~ThreadPool();
    int getQueueSize(); //获取任务队列中的任务数目
    int getThreadlNum();  //获取线程池中线程总数目

};

下面开始讲解一些实现细节。

1.单例模式下的线程池的初始化

首先我们以饿汉单例模式来设计这个线程池，以保证该线程池全局唯一：

1. 构造函数私有化
2. 提供一个静态函数来获取线程池对象

//饿汉模式，线程安全
ThreadPool* ThreadPool::createThreadPool(int num)
{
    static ThreadPool* pThreadPoolInstance = new ThreadPool(num);
    return pThreadPoolInstance;
}

ThreadPool* pMyPool = ThreadPool::createThreadPool(5);

线程池对象初始化时我们需要做三件事：相关变量的初始化（线程池状态、互斥锁、条件变量等）+任务队列的创建+线程预先创建

ThreadPool::ThreadPool(int num):threadsNum(num)
{
    printf("creating threads pool...\n");
    isRunning = true;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&condition, NULL);
    createThreads();
    printf("created threads pool successfully!\n");
}

线程池的数目根据对象创建时输入的数目来创建，如果不指定数目，我们就是使用默认数目10个。

void ThreadPool::createThreads()
{
    pThreadSet = (pthread_t*)malloc(sizeof(pthread_t) * threadsNum);
    for(int i=0;i<threadsNum;i++)
    {
        pthread_create(&pThreadSet[i], NULL, threadFunc, this);
    }
}

2.任务添加和线程调度

对于每一个服务请求我们都可以看作是一个任务，一个任务来了我们就将它送进线程池中的任务队列中，并通过条件变量的方式通知线程池中的空闲线程去拿任务去完成。那问题来了，这里的任务在编程的层面上看到底是什么？我们可以将任务看成是一个回调函数，将要执行的函数指针往任务队列里面送就可以了，我们线程拿到这个指针后运行该函数就等于完成服务请求。基于以上的考虑，我们设计了一个单独的抽象任务类，让子类继承。类里面有个纯虚函数run()，用于执行相应操作。

考虑到回调函数需要传参数进来，所以特意设置了个指针arg来存储参数地址，到时候我们就可以根据该指针解析出传入的函数实参是什么了。

任务基类

class Task
{
public:
    Task(void* a = NULL): arg(a)
    {

    }

    void SetArg(void* a)
    {
        arg = a;
    }

    virtual int run()=0;

protected:
    void* arg;

};

typedef struct
{
    int task_id;
    std::string task_name;
}msg_t;

class MyTask: public Task
{
public:
    int run()
    {
        msg_t* msg = (msg_t*)arg;
        printf("working thread[%lu] : task_id:%d  task_name:%s\n", pthread_self(),
               msg->task_id, msg->task_name.c_str());
        sleep(10);
        return 0;
    }
};

真正使用该类时就自己定义一个子类继承Task类，并实现run()函数，并通过SetArg()方法去设置传入的参数。比如可以这么用：

msg_t msg[10];
MyTask task_A[10];

//模拟生产者生产任务
for(int i=0;i<10;i++)
{
    msg[i].task_id = i;
    sprintf(buf,"qq_task_%d",i);
    msg[i].task_name = buf;
    task_A[i].SetArg(&msg[i]);
    pMyPool->addTask(&task_A[i]);
    sleep(1);
}

现在来到线程池设计中最难搞的地方：线程调度。一个任务来了，究竟怎么让空闲线程去拿任务去做呢？我们又如何保证空闲的线程不断地去拿任务呢？

抽象而言，这是一个生产者消费者的模型，系统不断往任务队列里送任务，我们通过互斥锁和条件变量来控制任务的加入和获取，线程每当空闲时就会去调用takeTask()去拿任务。如果队列没任务那么一些没获得互斥锁的线程就会拥塞等待（因为没锁），获得互斥锁的那个线程会因为没任务而拥塞等待。一旦有任务就会唤醒这个带锁线程拿走任务释放互斥锁。看看代码层面是如何操作的：

加入一个任务

void ThreadPool::addTask(Task* pTask)
{
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    taskQueue.push(pTask);
    printf("one task is put into queue! Current queue size is %lu\n",taskQueue.size());
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    pthread_cond_signal(&condition);
}

取走一个任务

Task* ThreadPool::takeTask()
{
    Task* pTask = NULL;
    while(!pTask)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        //线程池运行正常但任务队列为空，那就等待任务的到来
        while(taskQueue.empty() && isRunning)
        {
            pthread_cond_wait(&condition, &mutex);
        }

        if(!isRunning)
        {
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }
        else if(taskQueue.empty())
        {
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            continue;
        }

        pTask = taskQueue.front();
        taskQueue.pop();
        pthread_mutex_unlock(&mutex);

    }

    return pTask;
}

线程中的回调函数。这里注意的是，如果取到的任务为空，我们认为是线程池关闭的信号（线程池销毁时我们会在析构函数中调用pthread_cond_broadcast(&condition)来通知线程来拿任务，拿到的当然是空指针），我们退出该线程。

void* ThreadPool::threadFunc(void* arg)
{
    ThreadPool* p = (ThreadPool*)arg;
    while(p->isRunning)
    {
        Task* task = p->takeTask();
        //如果取到的任务为空，那么我们结束这个线程
        if(!task)
        {
            //printf("%lu thread will shutdown!\n", pthread_self());
            break;
        }

        printf("take one...\n");

        task->run();
    }
}

3.使用例子和测试

下面给出一个线程池的一个使用例子。可以看出，我首先定义了msg_t的结构体，这是因为我们的服务响应函数是带参数的，所以我们定义了这个结构体并把其地址作为参数传进线程池中去（通过SetArg方法）。然后我们也定义了一个任务类MyTask继承于Task，并重写了run方法。我们要执行的服务函数就可以写在run函数之中。当需要往任务队列投放任务时调用addTask()就可以了，然后线程池会自己安排任务的分发，外界无须关心。所以一个线程池执行任务的过程可以简化为：createThreadPool() -> SetArg() -> addTask -> while(1) -> delete pMyPool

#include <stdio.h>
#include "thread_pool.h"
#include <string>
#include <stdlib.h>

typedef struct
{
    int task_id;
    std::string task_name;
}msg_t;

class MyTask: public Task
{
public:
    int run()
    {
        msg_t* msg = (msg_t*)arg;
        printf("working thread[%lu] : task_id:%d  task_name:%s\n", pthread_self(),
               msg->task_id, msg->task_name.c_str());
        sleep(10);
        return 0;
    }
};

int main()
{
    ThreadPool* pMyPool = ThreadPool::createThreadPool(5);
    char buf[32] = {0};

    msg_t msg[10];
    MyTask task_A[10];

    //模拟生产者生产任务
    for(int i=0;i<10;i++)
    {
        msg[i].task_id = i;
        sprintf(buf,"qq_task_%d",i);
        msg[i].task_name = buf;
        task_A[i].SetArg(&msg[i]);
        pMyPool->addTask(&task_A[i]);
        sleep(1);
    }

    while(1)
    {
        //printf("there are still %d tasks need to process\n", pMyPool->getQueueSize());
        if (pMyPool->getQueueSize() == 0)
        {
            printf("Now I will exit from main\n");
            break;
        }

        sleep(1);
    }

    delete pMyPool;
    return 0;
}

程序具体运行的逻辑是，我们建立了一个5个线程大小的线程池，然后我们又生成了10个任务，往任务队列里放。由于线程数小于任务数，所以当每个线程都拿到自己的任务时，任务队列中还有5个任务待处理，然后有些线程处理完自己的任务了，又去队列里取任务，直到所有任务被处理完了，循环结束，销毁线程池，退出程序。

完整的线程池框架和测试例子在我的github。