Linux多线程：线程池(单例)，读写锁

一、线程池（单例模式）

1.1 makefile

thread_pool:main.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread
.PHONY:clean
clean:
	rm -f thread_pool

1.2 LockGuard.hpp

#include <pthread.h>


class Mtx
{
public:
    Mtx(pthread_mutex_t* mtx)
        :_mtx(mtx)
    {}

    ~Mtx()
    {}

    void Lock()
    {
        pthread_mutex_lock(_mtx);
    }

    void Unlock()
    {
        pthread_mutex_unlock(_mtx);
    }

private:
    pthread_mutex_t* _mtx;
};

//RAII风格的锁
//创建这个对象就是上锁，析构这个对象就是解锁
class LockGuard
{
public:
    LockGuard(pthread_mutex_t* mtx)
        :_mtx(mtx)//单参数的构造函数支持隐式类型的转换
    {
        _mtx.Lock();
    }
    ~LockGuard()
    {
        _mtx.Unlock();
    }

private:
    Mtx _mtx;
};

1.3 log.hpp

#pragma once

#include <iostream>
using namespace std;

#include <string>
#include <stdarg.h>

// 日志是有日志级别的
#define DEBUG   0
#define NORMAL  1
#define WARNING 2
#define ERROR   3
#define FATAL   4

#define LOGFILE "./threadpool.log"

const char* logLevel[]={"DEBUG","NORMAL","WARNING","ERROR","FATAL"};

//在写日志的时候需要互斥地写，即一条日志写完，另一条日志再写
pthread_mutex_t lock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

//参数为一个日志等级和一个可变参数列表
void logMessage(int level,const char* format,...)
{
    //日志的标准部分
    char stdBuff[1024]={0};
    //time_t是一个时间戳类型，time_t类型是long int经过typedef得到的
    time_t timestamp=time(nullptr);

    // struct tm {
    //            int tm_sec;         /* seconds */
    //            int tm_min;         /* minutes */
    //            int tm_hour;        /* hours */
    //            int tm_mday;        /* day of the month */
    //            int tm_mon;         /* month */
    //            int tm_year;        /* year */
    //            int tm_wday;        /* day of the week */
    //            int tm_yday;        /* day in the year */
    //            int tm_isdst;       /* daylight saving time */
    //        };
    //struct tm结构体可以通过man localtime函数查到
    struct tm* t=localtime(&timestamp);
    int year=t->tm_year+1900;
    int month=t->tm_mon+1;
    int day=t->tm_mday;
    int hour=t->tm_hour;
    int minute=t->tm_min;
    int second=t->tm_sec;
    snprintf(stdBuff,sizeof(stdBuff),"[%s] [日志日期：%02d/%02d/%02d 时间：%02d:%02d:%02d]"
    ,logLevel[level],year,month,day,hour,minute,second);

    //日志的自定义部分
    char logBuff[1024]={0};
    //处理可变参数的变量
    va_list args;
    //等于初始化可变参数变量，相当于把format指针赋值给args
    va_start(args,format);
    //把format可变参数列表中的参数一个一个地格式化到logBuff缓冲区中
    vsnprintf(logBuff,sizeof(logBuff),format,args);
    //置空
    va_end(args);

    //打印日志的时候需要保证串行打印，互不干扰的，所以需要加锁，
    //向文件中打印日志
    pthread_mutex_lock(&lock);
    FILE* fp=fopen(LOGFILE,"a");
    fprintf(fp,"%s%s",stdBuff,logBuff);
    fclose(fp);
    pthread_mutex_unlock(&lock);

    // cout<<stdBuff<<logBuff;
}

1.4 Task.hpp

#pragma once

#include <cstdio>

typedef int(*callback_t)(int,int);

class Task
{
public:
    Task()
    {}
    
    Task(int x,int y,char op,callback_t cb) 
        : _x(x)
        , _y(y) 
        ,_op(op)
        ,_cb(cb)
    {}

    void operator()()
    {
        printf("%d %c %d = %d\n",_x,_op,_y,_cb(_x,_y));
    }

public:
    int _x;
    int _y;
    char _op;
    callback_t _cb;
};

1.5 Thread.hpp

#pragma once

#include <iostream>
using namespace std;
#include <pthread.h>
#include <string>

//Thread结构体里面要封装一个线程自己的执行函数，参数为
//void*，返回值也为void*
typedef void *(*func_t)(void *);

//线程结构体的数据，这个数据要作为参数传给线程执行的函数
class ThreadData
{
public:
    ThreadData(int num,void* args)
        : _num(num)
        ,_args(args)
    {
        _name = "thread-" + to_string(num);
    }

public:
    string _name;
    int _num;
    void* _args;//这个是线程池对象自己的this指针，在routinue函数中会具体解释
};

class Thread
{
public:
    //构造函数，需要把线程的编号，线程的执行函数，以及线程池自己的this指针传过来
    Thread(int num, func_t callback, void *args)
        : _num(num),_func(callback), _args(args),_tdata(_num,_args)
    {
    }

    //start才是真正地创建线程
    void start()
    {
        pthread_create(&_tid, nullptr, _func, &_tdata);
    }
    //释放线程
    void join()
    {
        pthread_join(_tid,nullptr);
    }

    pthread_t Tid()
    {
        return _tid;
    }

private:
    pthread_t _tid;//线程tid
    int _num;//线程的代号
    func_t _func;//线程的执行函数
    void *_args;//this指针
    ThreadData _tdata;//线程的数据
};

1.6 ThreadPool.hpp

#pragma once

#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
#include "Thread.hpp"
#include <queue>
#include "LockGuard.hpp"
#include "log.hpp"

/*threadpool.h*/
/* 线程池:
* 一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。
而线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在
处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用，
还能防止过分调度。可用线程数量应该取决于可用的并发处理器、处理器内核、内存、
网络sockets等的数量。

* 线程池的应用场景：
* 1. 需要大量的线程来完成任务，且完成任务的时间比较短。 WEB服务器完成网页
请求这样的任务，使用线程池技术是非常合适的。因为单个任务小，而任务数量巨大，
你可以想象一个热门网站的点击次数。 但对于长时间的任务，比如一个Telnet连接请
求，线程池的优点就不明显了。因为Telnet会话时间比线程的创建时间大多了。
* 2. 对性能要求苛刻的应用，比如要求服务器迅速响应客户请求。
* 3. 接受突发性的大量请求，但不至于使服务器因此产生大量线程的应用。突发性大
量客户请求，在没有线程池情况下，将产生大量线程，虽然理论上大部分操作系统线程
数目最大值不是问题，短时间内产生大量线程可能使内存到达极限，出现错误.

* 线程池的种类：
* 线程池示例：
* 1. 创建固定数量线程池，循环从任务队列中获取任务对象，
* 2. 获取到任务对象后，执行任务对象中的任务接口
*/

static const int g_default_num = 3;

template <class T>
class ThreadPool
{
private:
    // 获取锁
    pthread_mutex_t *getMutex()
    {
        return &_taskQueue_mtx;
    }
    // 在条件变量下等待
    void waitCond()
    {
        pthread_cond_wait(&_taskQueue_cond, &_taskQueue_mtx);
    }
    // 获取任务
    T getTask()
    {
        T t = _task_queue.front();
        _task_queue.pop();
        return t;
    }

public:
    // 单例模式：懒汉模式
    static ThreadPool<T> *getThreadPool(int num = g_default_num)
    {
        // 双判断加锁，外层判断是让第一次调用该函数的线程进入创建一个单例对象，
        // 内层判断是防止第一次调用函数时有多个线程同时进入，从而导致创建多个
        // 对象的情况。所以如果第一次调用该函数，就会有其中一个线程进入判断条件，
        // 申请锁，然后创建对象，之后的每一次调用该函数都不会满足第一个判断条件，
        // 即不会再申请锁
        if (_thread_ptr == nullptr)
        {
            pthread_mutex_lock(&_thread_ptr_mtx);
            if (_thread_ptr == nullptr)
            {
                _thread_ptr = new ThreadPool<T>(num);
            }
            pthread_mutex_unlock(&_thread_ptr_mtx);
        }
        return _thread_ptr;
    }

    // 线程池里面的线程就充当消费者的角色，不断地从任务队列中获取并处理任务。
    // 这里必须加上static修饰，因为线程的函数的参数必须是一个void*的，而成员函数
    // 内部是有一个this指针的，所以我们需要加上static
    static void *routinue(void *args)
    {
        // 这个args就是线程结构体的数据，即ThreadData，ThreadData里面有一个最重要的参数
        // 就是里面的args，而args就是该线程池ThreadPool的this指针，是在ThreadPool构造函数
        // 创建一批Thread指针的时候传递过去的。为什么要花费这么大的精力把this指针传递到这个
        // 函数中呢？因为该函数是静态的，我们没有办法在该函数中访问ThreadPool的任何成员函数
        // 和成员变量，而我们作为消费者要消费数据就必须访问任务队列等成员函数，所以必须要能
        // 访问成员变量和成员函数，所以就绕了一大圈把ThreadPool的this指针传过来，有了this指针
        // 就能访问成员函数和成员变量了
        ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args);
        ThreadPool<T> *tp = static_cast<ThreadPool<T> *>(td->_args);

        // 获取并处理任务
        T t;
        while (true)
        {
            //获取任务前要先锁住任务队列，避免出现数据不一致问题
            LockGuard lock(tp->getMutex());

            //任务队列为空就让线程在条件变量下等待，注意这里要用while循环而不是
            //if，因为可能存在伪唤醒，所以唤醒后必须再检查一遍，确认任务队列中有数据再取数据
            while (_task_queue.empty())
            {
                tp->waitCond();
            }
            // 从任务队列中获取任务
            t = tp->getTask();
            printf("消费者 [%s:0x%x] 消费了一个数据：", td->_name.c_str(), pthread_self());
            // logMessage(NORMAL, " 消费者 [%s:0x%x] 消费了一个数据：", td->_name.c_str(), pthread_self());
            
            //调用仿函数处理任务
            t();

        }
    }

    //启动线程池才是真正调用iter->start()创建一堆线程
    void run()
    {
        for (auto &iter : _threads)
        {
            iter->start();
            logMessage(NORMAL, " 线程 [0x%x] 启动成功\n", iter->Tid());
        }
    }

    //向任务队列中塞数据
    void PushTask(const T &t)
    {
        //同理需要先加锁，因为任务队列是所有线程共享的
        LockGuard lock(&_taskQueue_mtx);
        _task_queue.push(t);
        //当我们塞了一个数据进任务队列时证明任务队列中
        //有数据了，此时可以唤醒一个线程来处理任务
        pthread_cond_signal(&_taskQueue_cond);
    }

private:
    // 构造函数私有
    ThreadPool(int num)
        : _num(num)
    {
        for (int i = 0; i < num; i++)
        {
            _threads.push_back(new Thread(i + 1, routinue, this));
        }
        pthread_mutex_init(&_taskQueue_mtx, nullptr);
        pthread_cond_init(&_taskQueue_cond, nullptr);
    }

    // 删除拷贝构造和复制重载函数
    ThreadPool(const ThreadPool<T> &) = delete;
    const ThreadPool<T> &operator=(const ThreadPool<T> &) = delete;

    //析构函数
    ~ThreadPool()
    {
        for (auto &iter : _threads)
        {
            iter->join();
            delete iter;
        }
        pthread_mutex_destroy(&_taskQueue_mtx);
        pthread_cond_destroy(&_taskQueue_cond);
    }

private:
    static ThreadPool<T> *_thread_ptr;//线程池的指针
    vector<Thread *> _threads; // 线程池
    int _num;//线程池中的线程数

    static queue<T> _task_queue;//任务队列
    pthread_mutex_t _taskQueue_mtx;//任务队列的锁
    pthread_cond_t _taskQueue_cond;//任务队列的条件变量

    static pthread_mutex_t _thread_ptr_mtx;//获取线程池对象的锁，保证单例
};

//静态成语类外初始化
template <class T>
queue<T> ThreadPool<T>::_task_queue;

template <class T>
ThreadPool<T> *ThreadPool<T>::_thread_ptr = nullptr;

template <class T>
pthread_mutex_t ThreadPool<T>::_thread_ptr_mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

1.7 main.cc

#include <iostream>
using namespace std;
#include "ThreadPool.hpp"
#include <unistd.h>
#include <ctime>
#include "Task.hpp"

// int main()
// {
//     srand((unsigned int)time(nullptr));
//     ThreadPool<int>* tp=new ThreadPool<int>(5);
//     tp->run();

//     while(true)
//     {
//         int x=rand()%100+1;
//         //int y=rand()%100+1;
//         // Task t(x,y,[](int x,int y)
//         // {
//         //     return x+y;
//         // });

//         tp->PushTask(x);
//         printf("生产者 [0x%x] 生产了一个数据：%d\n",pthread_self(),x);
//         usleep(100000);
//     }
//     return 0;
// }

#include "log.hpp"

// 线程池的本质也是生产者消费者模型

char oper[] = "+-*/%";

int main()
{
    srand((unsigned int)time(nullptr));
    // 创建一个线程池
    ThreadPool<Task> *tp = ThreadPool<Task>::getThreadPool();
    // 启动线程池
    tp->run();

    while (true)
    {
        // 主线程充当一个生产者的角色，不断地生产任务数据
        int x = rand() % 100 + 1;
        int y = rand() % 100 + 1;
        char op = oper[rand() % 5];
        Task t;
        switch (op)
        {
        case '+':
        {
            t = Task(x, y, '+', [](int x, int y)
                     { return x + y; });
            break;
        }
        case '-':
        {
            t = Task(x, y, '-', [](int x, int y)
                     { return x - y; });
            break;
        }
        case '*':
        {
            t = Task(x, y, '*', [](int x, int y)
                     { return x * y; });
            break;
        }
        case '/':
        {
            t = Task(x, y, '/', [](int x, int y)
                     { return x / y; });
            break;
        }
        case '%':
        {
            t = Task(x, y, '%', [](int x, int y)
                     { return x % y; });
            break;
        }
        }

        // 向任务队列中塞数据
        tp->PushTask(t);

        // printf("生产者 [0x%x] 生产了一个数据：%d + %d = ?\n",pthread_self(),x,y);
        // 打印日志
        logMessage(NORMAL, " 生产者 [0x%x] 生产了一个数据：%d %c %d = ?\n", pthread_self(), x, op, y);

        sleep(1);
    }
    return 0;
}

二、STL,智能指针和线程安全

2.1 STL中的容器是否是线程安全的?

不是。
原因是：STL 的设计初衷是将性能挖掘到极致, 而一旦涉及到加锁保证线程安全, 会对性能造成巨大的影响。而且对于不同的容器, 加锁方式的不同, 性能可能也不同(例如hash表的锁表和锁桶)。
因此 STL 默认不是线程安全. 如果需要在多线程环境下使用, 往往需要调用者自己保证线程安全。

2.2 智能指针是否是线程安全的?

对于 unique_ptr, 由于只是在当前代码块范围内生效, 因此不涉及线程安全问题。对于 shared_ptr, 多个对象需要共用一个引用计数变量, 所以会存在线程安全问题. 但是标准库实现的时候考虑到了这个问题, 基于原子操作(CAS)的方式保证 shared_ptr 能够高效, 原子的操作引用计数。

三、其他常见的各种锁

悲观锁：在每次取数据时，总是担心数据会被其他线程修改，所以会在取数据前先加锁（读锁，写锁，行锁等），当其他线程想要访问数据时，被阻塞挂起。

乐观锁：每次取数据时候，总是乐观的认为数据不会被其他线程修改，因此不上锁。但是在更新数据前，会判断其他数据在更新前有没有对数据进行修改。主要采用两种方式：版本号机制和CAS操作。

CAS操作：当需要更新数据时，判断当前内存值和之前取得的值是否相等。如果相等则用新值更新。若不等则失败，失败则重试，一般是一个自旋的过程，即不断重试。
自旋锁，公平锁，非公平锁？

四、读者写者问题

14.1 读写锁

在编写多线程的时候，有一种情况是十分常见的。那就是，有些公共数据修改的机会比较少。相比较改写，它们读的机会反而高的多。通常而言，在读的过程中，往往伴随着查找的操作，中间耗时很长。给这种代码段加锁，会极大地降低我们程序的效率。那么有没有一种方法，可以专门处理这种多读少写的情况呢？ 有的，那就是读写锁。

注意：写独占，读共享，读写同时来的时候，读锁优先级高，但是读者后来的话，可以是在他前面的写者优先级高的。

以上就是线程池的模拟实现的所有内容啦，你学会了吗？如果感觉到有所帮助的话，那就点点小心心，点点关注呗，后期还会持续更新Linux系统编程的相关知识哦，我们下期见！！！