Linux-C編程 多線程 一個簡潔可靠的線程池實現(xiàn)

哈嘍，我是老吳，我又來分享學(xué)習(xí)心得了。另外，為了更好地體現(xiàn)公眾號的核心價值觀，從本文開始，我會在文末新增分享一些非技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容，歡迎大家參與討論。

一、簡介

https://github.com/Pithikos/C-Thread-Pool

這是一個簡單小巧的 C 語言線程池實現(xiàn)，在 Github 上有 1.1K 的 star，很適合用來學(xué)習(xí) Linux 的多線程編程。

另外，里面還涉及到了信號、隊列、同步等知識點，代碼讀起來還是挺過癮的。

特點：

• 符合 ANCI C and POSIX;支持暫停 / 恢復(fù) / 等待功能;簡潔的 API;經(jīng)過嚴(yán)格的測試，附帶了豐富的測試用例;

二、使用

快速上手

example.c：

#include?"thpool.h"

void?task(void?*arg){
?printf("Thread?#%u?working?on?%dn",?(int)pthread_self(),?(int)?arg);
}

int?main(){
?
?puts("Making?threadpool?with?4?threads");
?threadpool?thpool?=?thpool_init(4);

?puts("Adding?10?tasks?to?threadpool");
?int?i;
?for?(i=0;?i<8;?i++){
??thpool_add_work(thpool,?task,?(void*)(uintptr_t)i);
?};

?thpool_wait(thpool);
?puts("Killing?threadpool");
?thpool_destroy(thpool);
?
?return?0;
}

運行效果：

$?gcc?example.c?thpool.c?-D?THPOOL_DEBUG?-pthread?-o?example

$?./example
Making?threadpool?with?4?threads
THPOOL_DEBUG:?Created?thread?0?in?pool?
THPOOL_DEBUG:?Created?thread?1?in?pool?
THPOOL_DEBUG:?Created?thread?2?in?pool?
THPOOL_DEBUG:?Created?thread?3?in?pool?
Adding?10?tasks?to?threadpool
Thread?#1509455616?working?on?0
Thread?#1509455616?working?on?4
Thread?#1509455616?working?on?5
Thread?#1492670208?working?on?2
Thread?#1492670208?working?on?7
Thread?#1509455616?working?on?6
Thread?#1501062912?working?on?1
Thread?#1517848320?working?on?3
Killing?threadpool

代碼分析：

• threadpool thpool = thpool_init(4) 創(chuàng)建了一個含有 4 個線程的線程池;然后調(diào)用 thpool_add_work(thpool, ...) 往線程池里放入了 8 個任務(wù);從結(jié)果來看：
  • 線程 5616 搶到了任務(wù) 0 / 4 / 5 / 6;線程 0208 搶到了任務(wù) 2 / 7;線程 2919 搶到了任務(wù) 1;線程 8320 搶到了任務(wù) 3;

API 簡介

三、內(nèi)部實現(xiàn)

整體把握

核心代碼就是 2 個文件：thpool.c 和 thpool.h。

分解 thpool.c

7 個公共函數(shù)：

struct?thpool_*?thpool_init(int?num_threads)?
int?thpool_add_work(thpool_*?thpool_p,?void?(*function_p)(void*),?void*?arg_p)?
void?thpool_wait(thpool_*?thpool_p)?
void?thpool_destroy(thpool_*?thpool_p)?
void?thpool_pause(thpool_*?thpool_p)?
void?thpool_resume(thpool_*?thpool_p)?
int?thpool_num_threads_working(thpool_*?thpool_p)?

正好就是前面說過的 7 個 API，稍后重點分析。

5 個自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

//?描述一個信號量
typedef?struct?bsem?{...}?bsem;

//?描述一個任務(wù)
typedef?struct?job?{...}?job;

//?描述一個任務(wù)隊列
typedef?struct?jobqueue?{...}?jobqueue;

//?描述一個線程
typedef?struct?thread?{...}?thread;

//?描述一個線程池
typedef?struct?thpool_?{...}?thpool_;

14 個私有函數(shù)：

//?構(gòu)造?struct?thread，并調(diào)用?pthread_create()?創(chuàng)建線程
static?int?thread_init?(thpool_*?thpool_p,?struct?thread**?thread_p,?int?id)?

//?當(dāng)線程被暫停時會在這里休眠
static?void?thread_hold(int?sig_id)?

//?線程在此函數(shù)中執(zhí)行任務(wù)
static?void*?thread_do(struct?thread*?thread_p)?

//?銷毀?struct?thread
static?void?thread_destroy?(thread*?thread_p)?

//?任務(wù)隊列相關(guān)的操作集合
static?int?jobqueue_init(jobqueue*?jobqueue_p)?
static?void?jobqueue_clear(jobqueue*?jobqueue_p)?
static?void?jobqueue_push(jobqueue*?jobqueue_p,?struct?job*?newjob)?
static?struct?job*?jobqueue_pull(jobqueue*?jobqueue_p)?
static?void?jobqueue_destroy(jobqueue*?jobqueue_p)?

//?信號量相關(guān)的操作集合
static?void?bsem_init(bsem?*bsem_p,?int?value)?
static?void?bsem_reset(bsem?*bsem_p)?
static?void?bsem_post(bsem?*bsem_p)?
static?void?bsem_post_all(bsem?*bsem_p)?
static?void?bsem_wait(bsem*?bsem_p)

核心 API 的實現(xiàn)

1. thpool_init()

該函數(shù)用于創(chuàng)建一個線程池，先明確線程池的定義：

typedef?struct?thpool_{
?thread**???threads;??????????????????/*?pointer?to?threads????????*/
?volatile?int?num_threads_alive;??????/*?threads?currently?alive???*/
?volatile?int?num_threads_working;????/*?threads?currently?working?*/
?pthread_mutex_t??thcount_lock;???????/*?used?for?thread?count?etc?*/
?pthread_cond_t??threads_all_idle;????/*?signal?to?thpool_wait?????*/
?jobqueue??jobqueue;??????????????????/*?job?queue?????????????????*/
}?thpool_;

thpool_init() 的實現(xiàn)思路：

1. 分配 struct thpool_：
   • malloc(sizeof(struct thpool_))

   初始化 struct thpool_;

   • malloc(num_threads * sizeof(struct thread *))thread_init(thpool_p, &thpool_p->threads[n], n);
   • jobqueue_init(&thpool_p->jobqueue)初始化 jobqueue：創(chuàng)建用戶指定數(shù)目的線程，用一個二級指針來指向這一組線程;

   返回 struct thpool_ *;

2. thpool_add_work()

該函數(shù)用于往線程池里添加一個任務(wù)，先明確任務(wù)的定義：

typedef?struct?job{
?struct?job*??prev;?/*?pointer?to?previous?job?*/
?void???(*function)(void*?arg);??/*?function?pointer?*/
?void*??arg;??/*?function's?argument?*/
}?job;

程序里是用隊列來管理任務(wù)的，這里的 job 首先是一個隊列節(jié)點，攜帶的數(shù)據(jù)是 function + arg。

thpool_add_work 的實現(xiàn)思路：

1. 分配 struct job：
   • malloc(sizeof(struct job))

   初始化 struct job;

   • newjob->function=function_p;newjob->arg=arg_p;

   添加到隊列中：

   • jobqueue_push(&thpool_p->jobqueue, newjob);

3. thpool_pause() 和 thpool_resume()

thpool_pause() 用于暫停所有的線程，通過信號機制來實現(xiàn)：

void?thpool_pause(thpool_*?thpool_p)?{
?int?n;
?for?(n=0;?n?<?thpool_p->num_threads_alive;?n++){
??pthread_kill(thpool_p->threads[n]->pthread,?SIGUSR1);
?}
}

給所有工作線程發(fā)送 SIGUSR1，該信號的處理行為就是讓線程休眠：

static?void?thread_hold(int?sig_id)?{
????(void)sig_id;
?threads_on_hold?=?1;
?while?(threads_on_hold){
??sleep(1);
?}
}

只需要 thpool_resume() 中，將 threads_on_hold = 0，就可以讓線程返回到原來被中止時的工作狀態(tài)。

4. thpool_wait()

wait 的實現(xiàn)比較簡單，只要還有任務(wù)或者還有線程處于工作狀態(tài)，就執(zhí)行 pthread 的 wait 操作：

while?(thpool_p->jobqueue.len?||?thpool_p->num_threads_working)?{
??pthread_cond_wait(&thpool_p->threads_all_idle,?&thpool_p->thcount_lock);
?}

到此，我感覺已經(jīng)沒有太多難點了，感興趣的小伙伴們可以自行查閱源碼。

四、測試用例

優(yōu)秀的開源項目通常會附帶豐富的測試用例，此項目也不例外：

memleaks.sh：測試是否發(fā)生內(nèi)存泄露;

threadpool.sh: 測試線程池是否能正確地執(zhí)行任務(wù);

pause_resume.sh：測試 pause 和 resume 是否正常;

wait.sh：測試 wait 功能是否正常;

heap_stack_garbage：測試堆棧內(nèi)有垃圾數(shù)據(jù)時的情況;

思考技術(shù)，也思考人生

要學(xué)習(xí)技術(shù)，更要學(xué)習(xí)如何生活。

最近在看的書：

《精要主義》

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收獲了什么？

身體是一種資產(chǎn)：

身體是用來達(dá)到個人貢獻峰值的珍貴資產(chǎn)，而最常見用來破壞這種資產(chǎn)的方式是：缺乏睡眠。

有的人可以很輕易地讓自己拼命工作，并且認(rèn)為自己強大到可以通過減少睡眠來盡快實現(xiàn)自己的目標(biāo)。而事實是，他們絕大多數(shù)人只是習(xí)慣了疲憊狀態(tài)，以至于已經(jīng)忘記充分休息后的高效學(xué)習(xí)、工作是什么感覺。

正確的做法是：系統(tǒng)地、有意識地為睡眠留下一席之地，為每天的生活保留一部分精力和創(chuàng)造力、解決問題的能力，以應(yīng)對一些意外情況。

你和我各有一個蘋果，如果我們交換蘋果的話，我們還是只有一個蘋果。但當(dāng)你和我各有一個想法，我們交換想法的話，我們就都有兩個想法了。

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