【Linux】线程——线程池、线程池的实现、线程安全的线程池、单例模式的概念、饿汉和懒汉模式、互斥锁、条件变量、信号量、自旋锁、读写锁

Linux线程

7. 线程池

  线程池是一种多线程编程中的技术和概念。

  它是一种线程使用模式。是一组预先创建好的线程集合，这些线程处于等待状态，随时准备接受任务并执行。

  

7.1 线程池介绍

为什么使用线程池

  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。

  

使用线程池的优点

  （1）提高性能：避免了频繁创建和销毁线程的开销，因为线程的创建和销毁是比较耗时的操作。

  （2）控制资源：可以限制线程的数量，防止过多的线程竞争系统资源，导致系统性能下降甚至崩溃。

  （3）提高响应性：能够更快地响应新的任务请求，因为线程已经准备好，无需等待线程创建。

  

7.2 线程池的实现

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。

  

执行任务：

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>std::string opers="+-*/%";enum{DivZero=1,ModZero,Unknown
};class Task
{
public:Task(){}Task(int x,int y,char op):_data1(x),_data2(y),_oper(op),_result(0),_exitcode(0){}void run(){switch (_oper){case '+':_result=_data1+_data2;break;case '-':_result=_data1-_data2;break;case '*':_result=_data1*_data2;break;case '/':{if(_data2==0) _exitcode=DivZero;else _result=_data1/_data2;}break;case '%':{if(_data2==0) _exitcode=ModZero;else _result=_data1%_data2;}break;default:_exitcode=Unknown;break;}}//Task对象重载运算符(),()直接进行run函数void operator()(){run();}std::string GetResult(){std::string r=std::to_string(_data1);r+=_oper;r+=std::to_string(_data2);r+="=";r+=std::to_string(_result);r+="[code: ";r+=std::to_string(_exitcode);r+="]";return r;}std::string GetTask(){std::string r=std::to_string(_data1);r+=_oper;r+=std::to_string(_data2);r+="=?";return r;}~Task(){}private: int _data1;int _data2;char _oper;int _result;int _exitcode;
};

  

线程池：

#pragma once#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include "Task.hpp"struct ThreadData
{pthread_t tid;std::string name;
};static const int defaultnum=5; //默认线程数量//实现我们的线程池
template<class T>
class ThreadPool
{
public:void Lock(){pthread_mutex_lock(&_mutex);}void Unlock(){pthread_mutex_unlock(&_mutex);}void Wakeup(){pthread_cond_signal(&_cond);}void ThreadSleep(){pthread_cond_wait(&_cond,&_mutex);}bool IsQueueEmpty() {return _tasks.empty();}public://注意我们线程调用的函数要求参数和返回值都是void*//但是handler在类中默认有this指针->参数不匹配，可以bind或者声明static或放在类外static void *Handler(/*ThreadPool *this,*/void *args){ThreadPool<T> *tp=static_cast<ThreadPool<T>*>(args);while(true){tp->Lock();while(tp->IsQueueEmpty()) //判断任务是否为空{tp->ThreadSleep(); //条件变量}T t=tp->Pop(); //取出任务tp->Unlock();t(); //处理任务 std::cout<<" run, "<<"result: "<< t.GetResult()<<std::endl;            }return nullptr;}void Start() //启动线程池{int num=_threads.size();for(int i=0;i<num;i++){_threads[i].name="thread-"+std::to_string(i+1);pthread_create(&(_threads[i].tid),nullptr,Handler,this);}}void Push(const T &t) //向任务队列放入任务{Lock();_tasks.push(t); //放入任务Wakeup(); //唤醒线程Unlock();}T Pop() //取出任务{T t=_tasks.front();_tasks.pop();return t;}ThreadPool(int num=defaultnum):_threads(num){pthread_mutex_init(&_mutex,nullptr);pthread_cond_init(&_cond,nullptr);} ~ThreadPool(){pthread_mutex_destroy(&_mutex);pthread_cond_destroy(&_cond);}private:   std::vector<ThreadData> _threads; //线程池std::queue<T> _tasks; //任务队列pthread_mutex_t _mutex; //锁pthread_cond_t _cond; //条件变量
};

  

运行函数：

#include <iostream>
#include "ThreadPool.hpp"int main()
{ThreadPool<Task> *tp=new ThreadPool<Task>(5);tp->Start();srand(time(nullptr) ^ getpid());    while(true){//1. 构建任务int x=rand()%10+1;usleep(10);int y=rand()%5;char op=opers[rand()%opers.size()];Task t(x,y,op);tp->Push(t);//2. 交给线程池处理std::cout<<"main thread make task: "<<t.GetTask()<<std::endl;sleep(1);}return 0;
}

  

  

7.3 线程安全的线程池

7.3.1 单例模式的概念

  单例模式是一种常见的软件设计模式。

  概念：单例模式确保一个类只有一个实例存在，并提供一个全局访问点来获取该实例。

  

特点包括

  唯一性：保证一个类在整个应用程序中只有一个实例。

  全局访问：提供了一种全局访问这个唯一实例的方式，方便在程序的任何地方使用。

  延迟初始化：通常实例的创建是延迟的，即在首次使用时才创建实例，以提高性能和资源利用率。

  

单例模式的优点

  节省系统资源：避免了频繁创建和销毁对象带来的资源消耗。

  统一管理：对唯一的实例进行集中管理和控制，方便维护和修改。

  保证一致性：在整个应用中，对于共享的数据或状态，通过单例模式可以保证其一致性。

  

7.3.2 饿汉和懒汉模式

  饿汉模式：

  在类加载时就创建单例对象。

  优点：线程安全， 因为对象在类加载时就已经创建好了，不存在多线程并发创建的问题。简单直接，实现较为简单。

  缺点：无论是否使用，对象都会在类加载时创建，可能会造成一定的资源浪费。

template <typename T>
class Singleton 
{static T data;public:static T* GetInstance() {return &data;}
};

  

  懒汉模式：

  在第一次使用时才创建单例对象。

  优点：延迟对象的创建，只有在真正需要时才创建，节省了资源。

  缺点：线程不安全，在多线程环境下可能会创建多个实例。需要额外的处理来保证线程安全，增加了实现的复杂性。

template <typename T>
class Singleton 
{static T* inst;public:static T* GetInstance() {if (inst == NULL) {inst = new T();}return inst;}
};

  

懒汉模式实现线程安全的线程池

线程安全的线程池：

#pragma once#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include "Task.hpp"struct ThreadData
{pthread_t tid;std::string name;
};static const int defaultnum=5; //默认线程数量//实现我们的线程池
template<class T>
class ThreadPool
{
public:void Lock(){pthread_mutex_lock(&_mutex);}void Unlock(){pthread_mutex_unlock(&_mutex);}void Wakeup(){pthread_cond_signal(&_cond);}void ThreadSleep(){pthread_cond_wait(&_cond,&_mutex);}bool IsQueueEmpty() {return _tasks.empty();}std::string GetThreadName(pthread_t tid){for (const auto &ti : _threads){if (ti.tid == tid)return ti.name;}return "None";}public://注意我们线程调用的函数要求参数和返回值都是void*//但是handler在类中默认有this指针->参数不匹配，可以bind或者声明static或放在类外static void *Handler(/*ThreadPool *this,*/void *args){ThreadPool<T> *tp=static_cast<ThreadPool<T>*>(args);std::string name = tp->GetThreadName(pthread_self());while(true){tp->Lock();while(tp->IsQueueEmpty()) //判断任务是否为空{tp->ThreadSleep(); //条件变量}T t=tp->Pop(); //取出任务tp->Unlock();t(); //处理任务 std::cout<<name<<" run, "<<"result: "<< t.GetResult()<<std::endl;            }return nullptr;}void Start() //启动线程池{int num=_threads.size();for(int i=0;i<num;i++){_threads[i].name="thread-"+std::to_string(i+1);pthread_create(&(_threads[i].tid),nullptr,Handler,this);}}void Push(const T &t) //向任务队列放入任务{Lock();_tasks.push(t); //放入任务Wakeup(); //唤醒线程Unlock();}T Pop() //取出任务{T t=_tasks.front();_tasks.pop();return t;}static ThreadPool<T> *GetInstance() //获取单例对象{if(nullptr==_tp) //创建单例对象后，不会再有申请和释放锁的操作{pthread_mutex_lock(&_lock); //保护临界资源if(_tp==nullptr){std::cout<<"singleton create done"<<std::endl;_tp=new ThreadPool<T>();}pthread_mutex_unlock(&_lock);}return _tp;}private:ThreadPool(const ThreadPool<T>&)=delete;const ThreadPool<T>& operator=(const ThreadPool<T>&)=delete;ThreadPool(int num=defaultnum):_threads(num){pthread_mutex_init(&_mutex,nullptr);pthread_cond_init(&_cond,nullptr);} ~ThreadPool(){pthread_mutex_destroy(&_mutex);pthread_cond_destroy(&_cond);}private:   std::vector<ThreadData> _threads; //线程池std::queue<T> _tasks; //任务队列pthread_mutex_t _mutex; //锁pthread_cond_t _cond; //条件变量static ThreadPool<T> *_tp; //获取单例指针static pthread_mutex_t _lock; //锁
};template<class T>
ThreadPool<T> *ThreadPool<T>::_tp=nullptr;template<class T>
pthread_mutex_t ThreadPool<T>::_lock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

  

运行函数：

#include <iostream>
#include "ThreadPool.hpp"int main()
{//ThreadPool<Task> *tp=new ThreadPool<Task>(5);//tp->Start();sleep(2); //懒汉模式ThreadPool<Task>::GetInstance()->Start();srand(time(nullptr) ^ getpid());    while(true){//1. 构建任务int x=rand()%10+1;usleep(10);int y=rand()%5;char op=opers[rand()%opers.size()];Task t(x,y,op);//tp->Push(t);ThreadPool<Task>::GetInstance()->Push(t);//2. 交给线程池处理std::cout<<"main thread make task: "<<t.GetTask()<<std::endl;sleep(1);}return 0;
}

  

  

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，往往需要调用者自行保证线程安全。

  

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。

  

8. 常见锁使用汇总

8.1 互斥锁（Mutex）

  确保在同一时刻只有一个线程能够访问被保护的资源。

  例如，多个线程同时操作一个共享的全局变量时，使用互斥锁来保证数据的一致性。

  

  初始化互斥锁

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);

作用：初始化一个互斥锁。

参数：
  mutex：指向要初始化的互斥锁的指针。

  attr：互斥锁的属性指针，通常为 NULL（使用默认属性）。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

  加锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

作用：获取互斥锁，如果锁已被占用则阻塞等待。

参数：mutex：要加锁的互斥锁指针。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

  尝试加锁

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

作用：尝试获取互斥锁，如果锁可用则获取并返回 0，否则立即返回 EBUSY。

参数：mutex：要尝试加锁的互斥锁指针。

返回值：成功返回 0，锁不可用返回 EBUSY。

  

  解锁

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

作用：释放已获取的互斥锁。

参数：mutex：要解锁的互斥锁指针。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

  销毁互斥锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

作用：销毁指定的互斥锁。

参数：mutex：要销毁的互斥锁指针。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

8.2 条件变量（Condition Variable）

  通常与互斥锁配合使用，用于线程之间的等待和通知。

  比如一个线程需要等待某个条件满足后才能继续执行，而另一个线程在条件满足时通知它。

  

  初始化条件变量

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);

作用：初始化一个条件变量。

参数：
  cond：指向要初始化的条件变量的指针。

  attr：条件变量的属性指针，通常为 NULL（使用默认属性）。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

  等待条件变量

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

作用：阻塞当前线程，直到指定的条件变量被唤醒。

参数：
  cond：要等待的条件变量指针。

  mutex：与条件变量关联的互斥锁指针。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

  定时等待条件变量

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);

作用：阻塞当前线程，直到指定的条件变量被唤醒或到达指定的超时时间。

参数：
  cond：要等待的条件变量指针。

  mutex：与条件变量关联的互斥锁指针。

  abstime：指定的超时时间。

返回值：成功返回 0，超时返回 ETIMEDOUT，失败返回其他错误码。

  

  唤醒一个等待条件变量的线程

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

作用：唤醒至少一个等待指定条件变量的线程。

参数：cond：要唤醒的条件变量指针。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

  唤醒所有等待条件变量的线程

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

作用：唤醒所有等待指定条件变量的线程。

参数：cond：要唤醒的条件变量指针。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

  销毁条件变量

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

作用：销毁指定的条件变量。

参数：cond：要销毁的条件变量指针。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

8.3 信号量（Semaphore）

  用于控制同时访问某一资源的线程数量。

  例如限制同时访问数据库连接的线程数量。

  

  初始化信号量

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

作用：初始化一个信号量。

参数：
  sem：指向要初始化的信号量的指针。

  pshared：表示信号量的共享属性，0 表示线程间共享，非 0 表示进程间共享。

  value：信号量的初始值。

返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

  

  等待信号量

int sem_wait(sem_t *sem);

作用：等待信号量的值大于 0，然后将其减 1。

参数：sem：要操作的信号量指针。

返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

  

  尝试等待信号量

int sem_trywait(sem_t *sem);

作用：尝试等待信号量，如果信号量的值大于 0，则将其减 1 并立即返回；否则返回错误。

参数：sem：要操作的信号量指针。

返回值：成功返回 0，信号量不可用返回 -1 并设置 errno 为 EAGAIN。

  

  释放信号量

int sem_post(sem_t *sem);

作用：将信号量的值增加 1。

参数：sem：要操作的信号量指针。

返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

  

  获取信号量的值

int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

作用：获取信号量的当前值，并将其存储在 sval 指向的变量中。

参数：
  sem：要操作的信号量指针。

  sval：用于存储信号量值的整数指针。

返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

  

  销毁信号量

int sem_destroy(sem_t *sem);

作用：销毁指定的信号量。

参数：sem：要销毁的信号量指针。

返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

  

8.4 自旋锁（Spin Lock）

  线程在获取锁失败时，会一直循环尝试获取，而不是阻塞等待。

  适用于锁被持有的时间很短的情况，能避免线程切换的开销，但如果锁被长时间持有，会浪费 CPU 资源。

  

  初始化自旋锁

int spinlock_init(spinlock_t *lock, const spinlockattr_t *attr);

作用：初始化指定的自旋锁。

参数：
  lock：指向要初始化的自旋锁的指针。
  attr：自旋锁属性指针，可为 NULL（使用默认属性）。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

  销毁自旋锁

int spinlock_destroy(spinlock_t *lock);

作用：销毁指定的自旋锁。

参数：lock：要销毁的自旋锁指针。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

  尝试获取自旋锁（读）

int spinlock_rdlock(spinlock_t *lock);

作用：尝试获取自旋锁的读锁。

参数：lock：指向要获取读锁的自旋锁的指针。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

  尝试获取自旋锁（写）

int spinlock_wrlock(spinlock_t *lock);

作用：尝试获取自旋锁的写锁。

参数：lock：指向要获取写锁的自旋锁的指针。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

  释放自旋锁

int spinlock_unlock(spinlock_t *lock);

作用：释放指定的自旋锁。

参数：lock：要释放的自旋锁指针。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

8.5 读写锁（Read-Write Lock）

  区分读操作和写操作。允许多个线程同时进行读操作，但在写操作时，不允许其他线程进行读或写操作。

  适用于读操作频繁而写操作较少的场景，比如共享数据的读取次数远多于修改次数的情况。

  

  初始化读写锁

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

作用：初始化指定的读写锁。

参数：
  rwlock：指向要初始化的读写锁的指针。
  attr：读写锁属性指针，可为 NULL（使用默认属性）。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

  销毁读写锁

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

作用：销毁指定的读写锁。

参数：rwlock：要销毁的读写锁指针。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

  获取读写锁的读锁

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

作用：尝试获取指定读写锁的读锁。

参数：rwlock：指向要获取读锁的读写锁的指针。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

  获取读写锁的写锁

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

作用：尝试获取指定读写锁的写锁。

参数：rwlock：指向要获取写锁的读写锁的指针。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

  释放读写锁

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

作用：释放指定的读写锁。

参数：rwlock：要释放的读写锁指针。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

  设置读写锁的优先级

int pthread_rwlockattr_setkind_np(pthread_rwlockattr_t *attr, int pref);

作用：设置读写锁的优先级。

参数：
  attr：读写锁属性指针。
  pref：优先级选择，有以下 3 种：

  PTHREAD_RWLOCK_PREFER_READER_NP （默认设置）读者优先，可能会导致写者饥饿情况。

  PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NP 写者优先，目前有 BUG，导致表现行为和 PTHREAD_RWLOCK_PREFER_READER_NP 一致。

  PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NONRECURSIVE_NP 写者优先，但写者不能递归加锁。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

  

其他概念：

  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。

  公平锁：公平锁按照线程请求锁的先后顺序来分配锁。先请求的线程先获取，保证了顺序公平。保证顺序，适合要求严格公平的场景。但性能开销大，高并发时吞吐量可能受影响。

  非公平锁：非公平锁不按请求顺序分配锁，锁释放时竞争的线程都可能获取，不一定是先请求的。性能好，高并发时吞吐量可能高。但可能导致线程饥饿，行为不太确定。

  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。