線程池原理及創建（C++實現）
本文給出了一個通用的線程池框架，該框架將與線程執行相關的任務進行了高層次的抽象，使之與具體的執行任務無關。另外該線程池具有動態伸縮性，它能根據執行任務的輕重自動調整線程池中線程的數量。文章的最后，我們給出一個簡單示例程序，通過該示例程序，我們會發現，通過該線程池框架執行多線程任務是多么的簡單。
為什么需要線程池
目前的大多數網絡服務器，包括Web服務器、Email服務器以及數據庫服務器等都具有一個共同點，就是單位時間內必須處理數目巨大的連接請求，但處理時間卻相對較短。
傳統多線程方案中我們采用的服務器模型則是一旦接受到請求之后，即創建一個新的線程，由該線程執行任務。任務執行完畢后，線程退出，這就是是“即時創建，即時銷毀”的策略。盡管與創建進程相比，創建線程的時間已經大大的縮短，但是如果提交給線程的任務是執行時間較短，而且執行次數極其頻繁，那么服務器將處于不停的創建線程，銷毀線程的狀態。
我們將傳統方案中的線程執行過程分為三個過程：T1、T2、T3。
T1：線程創建時間
T2：線程執行時間，包括線程的同步等時間
T3：線程銷毀時間
那么我們可以看出，線程本身的開銷所占的比例為(T1+T3) / (T1+T2+T3)。如果線程執行的時間很短的話，這比開銷可能占到20%-50%左右。如果任務執行時間很頻繁的話，這筆開銷將是不可忽略的。
除此之外，線程池能夠減少創建的線程個數。通常線程池所允許的并發線程是有上界的，如果同時需要并發的線程數超過上界，那么一部分線程將會等待。而傳統方案中，如果同時請求數目為2000，那么最壞情況下，系統可能需要產生2000個線程。盡管這不是一個很大的數目，但是也有部分機器可能達不到這種要求。
因此線程池的出現正是著眼于減少線程池本身帶來的開銷。線程池采用預創建的技術，在應用程序啟動之后，將立即創建一定數量的線程(N1)，放入空閑隊列中。這些線程都是處于阻塞（Suspended）狀態，不消耗CPU，但占用較小的內存空間。當任務到來后，緩沖池選擇一個空閑線程，把任務傳入此線程中運行。當N1個線程都在處理任務后，緩沖池自動創建一定數量的新線程，用于處理更多的任務。在任務執行完畢后線程也不退出，而是繼續保持在池中等待下一次的任務。當系統比較空閑時，大部分線程都一直處于暫停狀態，線程池自動銷毀一部分線程，回收系統資源。
基于這種預創建技術，線程池將線程創建和銷毀本身所帶來的開銷分攤到了各個具體的任務上，執行次數越多，每個任務所分擔到的線程本身開銷則越小，不過我們另外可能需要考慮進去線程之間同步所帶來的開銷。
構建線程池框架
一般線程池都必須具備下面幾個組成部分：
線程池管理器:用于創建并管理線程池
工作線程: 線程池中實際執行的線程
任務接口: 盡管線程池大多數情況下是用來支持網絡服務器，但是我們將線程執行的任務抽象出來，形成任務接口，從而是的線程池與具體的任務無關。
任務隊列:線程池的概念具體到實現則可能是隊列，鏈表之類的數據結構，其中保存執行線程。
我們實現的通用線程池框架由五個重要部分組成CThreadManage，CThreadPool，CThread，CJob，CWorkerThread，除此之外框架中還包括線程同步使用的類CThreadMutex和CCondition。
CJob是所有的任務的基類，其提供一個接口Run，所有的任務類都必須從該類繼承，同時實現Run方法。該方法中實現具體的任務邏輯。
CThread是Linux中線程的包裝，其封裝了Linux線程最經常使用的屬性和方法，它也是一個抽象類，是所有線程類的基類，具有一個接口Run。
CWorkerThread是實際被調度和執行的線程類，其從CThread繼承而來，實現了CThread中的Run方法。
CThreadPool是線程池類，其負責保存線程，釋放線程以及調度線程。
CThreadManage是線程池與用戶的直接接口，其屏蔽了內部的具體實現。
CThreadMutex用于線程之間的互斥。
CCondition則是條件變量的封裝，用于線程之間的同步。
它們的類的繼承關系如下圖所示：
線程池的時序很簡單，如下圖所示。CThreadManage直接跟客戶端打交道，其接受需要創建的線程初始個數，并接受客戶端提交的任務。這兒的任務是具體的非抽象的任務。CThreadManage的內部實際上調用的都是CThreadPool的相關操作。CThreadPool創建具體的線程，并把客戶端提交的任務分發給CWorkerThread，CWorkerThread實際執行具體的任務。
理解系統組件
下面我們分開來了解系統中的各個組件。
CThreadManage
CThreadManage的功能非常簡單，其提供最簡單的方法，其類定義如下：
class CThreadManage
{
private:
CThreadPool* m_Pool;
int m_NumOfThread;
protected:
public:
void SetParallelNum(int num);
CThreadManage();
CThreadManage(int num);
virtual ~CThreadManage();
void Run(CJob* job,void* jobdata);
void TerminateAll(void);
};
其中m_Pool指向實際的線程池；m_NumOfThread是初始創建時候允許創建的并發的線程個數。另外Run和TerminateAll方法也非常簡單，只是簡單的調用CThreadPool的一些相關方法而已。其具體的實現如下:
CThreadManage::CThreadManage(){
m_NumOfThread = 10;
m_Pool = new CThreadPool(m_NumOfThread);
}
CThreadManage::CThreadManage(int num){
m_NumOfThread = num;
m_Pool = new CThreadPool(m_NumOfThread);
}
CThreadManage::~CThreadManage(){
if(NULL != m_Pool)
delete m_Pool;
}
void CThreadManage::SetParallelNum(int num){
m_NumOfThread = num;
}
void CThreadManage::Run(CJob* job,void* jobdata){
m_Pool->Run(job,jobdata);
}
void CThreadManage::TerminateAll(void){
m_Pool->TerminateAll();
}
CThread
CThread 類實現了對Linux中線程操作的封裝，它是所有線程的基類，也是一個抽象類，提供了一個抽象接口Run，所有的CThread都必須實現該Run方法。CThread的定義如下所示：
class CThread
{
private:
int m_ErrCode;
Semaphore m_ThreadSemaphore; //the inner semaphore, which is used to realize
unsigned long m_ThreadID;
bool m_Detach; //The thread is detached
bool m_CreateSuspended; //if suspend after creating
char* m_ThreadName;
ThreadState m_ThreadState; //the state of the thread
protected:
void SetErrcode(int errcode){m_ErrCode = errcode;}
static void* ThreadFunction(void*);
public:
CThread();
CThread(bool createsuspended,bool detach);
virtual ~CThread();
virtual void Run(void) = 0;
void SetThreadState(ThreadState state){m_ThreadState = state;}
bool Terminate(void); //Terminate the threa
bool Start(void); //Start to execute the thread
void Exit(void);
bool Wakeup(void);
ThreadState GetThreadState(void){return m_ThreadState;}
int GetLastError(void){return m_ErrCode;}
void SetThreadName(char* thrname){strcpy(m_ThreadName,thrname);}
char* GetThreadName(void){return m_ThreadName;}
int GetThreadID(void){return m_ThreadID;}
bool SetPriority(int priority);
int GetPriority(void);
int GetConcurrency(void);
void SetConcurrency(int num);
bool Detach(void);
bool Join(void);
bool Yield(void);
int Self(void);
};
線程的狀態可以分為四種，空閑、忙碌、掛起、終止(包括正常退出和非正常退出)。由于目前Linux線程庫不支持掛起操作，因此，我們的此處的掛起操作類似于暫停。如果線程創建后不想立即執行任務，那么我們可以將其“暫停”，如果需要運行，則喚醒。有一點必須注意的是，一旦線程開始執行任務，將不能被掛起，其將一直執行任務至完畢。
線程類的相關操作均十分簡單。線程的執行入口是從Start()函數開始，其將調用函數ThreadFunction，ThreadFunction再調用實際的Run函數，執行實際的任務。
CThreadPool
CThreadPool是線程的承載容器，一般可以將其實現為堆棧、單向隊列或者雙向隊列。在我們的系統中我們使用STL Vector對線程進行保存。CThreadPool的實現代碼如下：
class CThreadPool
{
friend class CWorkerThread;
private:
unsigned int m_MaxNum; //the max thread num that can create at the same time
unsigned int m_AvailLow; //The min num of idle thread that shoule kept
unsigned int m_AvailHigh; //The max num of idle thread that kept at the same time
unsigned int m_AvailNum; //the normal thread num of idle num;
unsigned int m_InitNum; //Normal thread num;
protected:
CWorkerThread* GetIdleThread(void);
void AppendToIdleList(CWorkerThread* jobthread);
void MoveToBusyList(CWorkerThread* idlethread);
void MoveToIdleList(CWorkerThread* busythread);
void DeleteIdleThread(int num);
void CreateIdleThread(int num);
public:
CThreadMutex m_BusyMutex; //when visit busy list,use m_BusyMutex to lock and unlock
CThreadMutex m_IdleMutex; //when visit idle list,use m_IdleMutex to lock and unlock
CThreadMutex m_JobMutex; //when visit job list,use m_JobMutex to lock and unlock
CThreadMutex m_VarMutex;
CCondition m_BusyCond; //m_BusyCond is used to sync busy thread list
CCondition m_IdleCond; //m_IdleCond is used to sync idle thread list
CCondition m_IdleJobCond; //m_JobCond is used to sync job list
CCondition m_MaxNumCond;
vector<CWorkerThread*> m_ThreadList;
vector<CWorkerThread*> m_BusyList; //Thread List
vector<CWorkerThread*> m_IdleList; //Idle List
CThreadPool();
CThreadPool(int initnum);
virtual ~CThreadPool();
void SetMaxNum(int maxnum){m_MaxNum = maxnum;}
int GetMaxNum(void){return m_MaxNum;}
void SetAvailLowNum(int minnum){m_AvailLow = minnum;}
int GetAvailLowNum(void){return m_AvailLow;}
void SetAvailHighNum(int highnum){m_AvailHigh = highnum;}
int GetAvailHighNum(void){return m_AvailHigh;}
int GetActualAvailNum(void){return m_AvailNum;}
int GetAllNum(void){return m_ThreadList.size();}
int GetBusyNum(void){return m_BusyList.size();}
void SetInitNum(int initnum){m_InitNum = initnum;}
int GetInitNum(void){return m_InitNum;}
void TerminateAll(void);
void Run(CJob* job,void* jobdata);
};
CThreadPool::CThreadPool()
{
m_MaxNum = 50;
m_AvailLow = 5;
m_InitNum=m_AvailNum = 10 ;
m_AvailHigh = 20;
m_BusyList.clear();
m_IdleList.clear();
for(int i=0;i<m_InitNum;i++){
CWorkerThread* thr = new CWorkerThread();
thr->SetThreadPool(this);
AppendToIdleList(thr);
thr->Start();
}
}
CThreadPool::CThreadPool(int initnum)
{
assert(initnum>0 && initnum<=30);
m_MaxNum = 30;
m_AvailLow = initnum-10>0?initnum-10:3;
m_InitNum=m_AvailNum = initnum ;
m_AvailHigh = initnum+10;
m_BusyList.clear();
m_IdleList.clear();
for(int i=0;i<m_InitNum;i++){
CWorkerThread* thr = new CWorkerThread();
AppendToIdleList(thr);
thr->SetThreadPool(this);
thr->Start(); //begin the thread,the thread wait for job
}
}
CThreadPool::~CThreadPool()
{
TerminateAll();
}
void CThreadPool::TerminateAll()
{
for(int i=0;i < m_ThreadList.size();i++) {
CWorkerThread* thr = m_ThreadList[i];
thr->Join();
}
return;
}
CWorkerThread* CThreadPool::GetIdleThread(void)
{
while(m_IdleList.size() ==0 )
m_IdleCond.Wait();
m_IdleMutex.Lock();
if(m_IdleList.size() > 0 )
{
CWorkerThread* thr = (CWorkerThread*)m_IdleList.front();
printf("Get Idle thread %dn",thr->GetThreadID());
m_IdleMutex.Unlock();
return thr;
}
m_IdleMutex.Unlock();
return NULL;
}
//add an idle thread to idle list
void CThreadPool::AppendToIdleList(CWorkerThread* jobthread)
{
m_IdleMutex.Lock();
m_IdleList.push_back(jobthread);
m_ThreadList.push_back(jobthread);
m_IdleMutex.Unlock();
}
//move and idle thread to busy thread
void CThreadPool::MoveToBusyList(CWorkerThread* idlethread)
{
m_BusyMutex.Lock();
m_BusyList.push_back(idlethread);
m_AvailNum--;
m_BusyMutex.Unlock();
m_IdleMutex.Lock();
vector<CWorkerThread*>::iterator pos;
pos = find(m_IdleList.begin(),m_IdleList.end(),idlethread);
if(pos !=m_IdleList.end())
m_IdleList.erase(pos);
m_IdleMutex.Unlock();
}
void CThreadPool::MoveToIdleList(CWorkerThread* busythread)
{
m_IdleMutex.Lock();
m_IdleList.push_back(busythread);
m_AvailNum++;
m_IdleMutex.Unlock();
m_BusyMutex.Lock();
vector<CWorkerThread*>::iterator pos;
pos = find(m_BusyList.begin(),m_BusyList.end(),busythread);
if(pos!=m_BusyList.end())
m_BusyList.erase(pos);
m_BusyMutex.Unlock();
m_IdleCond.Signal();
m_MaxNumCond.Signal();
}
//create num idle thread and put them to idlelist
void CThreadPool::CreateIdleThread(int num)
{
for(int i=0;i<num;i++){
CWorkerThread* thr = new CWorkerThread();
thr->SetThreadPool(this);
AppendToIdleList(thr);
m_VarMutex.Lock();
m_AvailNum++;
m_VarMutex.Unlock();
thr->Start(); //begin the thread,the thread wait for job
}
}
void CThreadPool::DeleteIdleThread(int num)
{
printf("Enter into CThreadPool::DeleteIdleThreadn");
m_IdleMutex.Lock();
printf("Delete Num is %dn",num);
for(int i=0;i<num;i++){
CWorkerThread* thr;
if(m_IdleList.size() > 0 ){
thr = (CWorkerThread*)m_IdleList.front();
printf("Get Idle thread %dn",thr->GetThreadID());
}
vector<CWorkerThread*>::iterator pos;
pos = find(m_IdleList.begin(),m_IdleList.end(),thr);
if(pos!=m_IdleList.end())
m_IdleList.erase(pos);
m_AvailNum--;
printf("The idle thread available num:%d n",m_AvailNum);
printf("The idlelist num:%d n",m_IdleList.size());
}
m_IdleMutex.Unlock();
}
void CThreadPool::Run(CJob* job,void* jobdata)
{
assert(job!=NULL);
//if the busy thread num adds to m_MaxNum,so we should wait
if(GetBusyNum() == m_MaxNum)
m_MaxNumCond.Wait();
if(m_IdleList.size()<m_AvailLow)
{
if(GetAllNum()+m_InitNum-m_IdleList.size() < m_MaxNum )
CreateIdleThread(m_InitNum-m_IdleList.size());
else
CreateIdleThread(m_MaxNum-GetAllNum());
}
CWorkerThread* idlethr = GetIdleThread();
if(idlethr !=NULL)
{
idlethr->m_WorkMutex.Lock();
MoveToBusyList(idlethr);
idlethr->SetThreadPool(this);
job->SetWorkThread(idlethr);
printf("Job is set to thread %d n",idlethr->GetThreadID());
idlethr->SetJob(job,jobdata);
}
}
在CThreadPool中存在兩個鏈表，一個是空閑鏈表，一個是忙碌鏈表。Idle鏈表中存放所有的空閑進程，當線程執行任務時候，其狀態變為忙碌狀態，同時從空閑鏈表中刪除，并移至忙碌鏈表中。在CThreadPool的構造函數中，我們將執行下面的代碼:
for(int i=0;i<m_InitNum;i++)
{
CWorkerThread* thr = new CWorkerThread();
AppendToIdleList(thr);
thr->SetThreadPool(this);
thr->Start(); //begin the thread,the thread wait for job
}
在該代碼中，我們將創建m_InitNum個線程，創建之后即調用AppendToIdleList放入Idle鏈表中，由于目前沒有任務分發給這些線程，因此線程執行Start后將自己掛起。
事實上，線程池中容納的線程數目并不是一成不變的，其會根據執行負載進行自動伸縮。為此在CThreadPool中設定四個變量：
m_InitNum：處世創建時線程池中的線程的個數。
m_MaxNum:當前線程池中所允許并發存在的線程的最大數目。
m_AvailLow:當前線程池中所允許存在的空閑線程的最小數目，如果空閑數目低于該值，表明負載可能過重，此時有必要增加空閑線程池的數目。實現中我們總是將線程調整為m_InitNum個。
m_AvailHigh：當前線程池中所允許的空閑的線程的最大數目，如果空閑數目高于該值，表明當前負載可能較輕，此時將刪除多余的空閑線程，刪除后調整數也為m_InitNum個。
m_AvailNum：目前線程池中實際存在的線程的個數，其值介于m_AvailHigh和m_AvailLow之間。如果線程的個數始終維持在m_AvailLow和m_AvailHigh之間，則線程既不需要創建，也不需要刪除，保持平衡狀態。因此如何設定m_AvailLow和m_AvailHigh的值，使得線程池最大可能的保持平衡態，是線程池設計必須考慮的問題。
線程池在接受到新的任務之后，線程池首先要檢查是否有足夠的空閑池可用。檢查分為三個步驟：
(1)檢查當前處于忙碌狀態的線程是否達到了設定的最大值m_MaxNum，如果達到了，表明目前沒有空閑線程可用，而且也不能創建新的線程，因此必須等待直到有線程執行完畢返回到空閑隊列中。
(2)如果當前的空閑線程數目小于我們設定的最小的空閑數目m_AvailLow，則我們必須創建新的線程，默認情況下，創建后的線程數目應該為m_InitNum，因此創建的線程數目應該為( 當前空閑線程數與m_InitNum);但是有一種特殊情況必須考慮，就是現有的線程總數加上創建后的線程數可能超過m_MaxNum，因此我們必須對線程的創建區別對待。
if(GetAllNum()+m_InitNum-m_IdleList.size() < m_MaxNum )
CreateIdleThread(m_InitNum-m_IdleList.size());
else
CreateIdleThread(m_MaxNum-GetAllNum());
如果創建后總數不超過m_MaxNum，則創建后的線程為m_InitNum；如果超過了，則只創建( m_MaxNum-當前線程總數)個。
(3)調用GetIdleThread方法查找空閑線程。如果當前沒有空閑線程，則掛起；否則將任務指派給該線程，同時將其移入忙碌隊列。
當線程執行完畢后，其會調用MoveToIdleList方法移入空閑鏈表中，其中還調用m_IdleCond.Signal()方法，喚醒GetIdleThread()中可能阻塞的線程。