线程知识应用总结

一 线程池实现

        线程池，内存池，进程池都是在用空间换时间，因为我们进程在运行时可能受到大量请求，这个时候要创建线程去运行，如果是来一个任务才创建线程，此时完成任务的时间就要算上创建线程，可是如果我们在没任务时候提前创建好线程，就能比较快的响应请求，今天我们就聊聊线程池的小实现。

        其实还是一种变形的生产消费模型。客户端发任务到消息队列，线程池从消息队列拿任务去执行，显然超市就是任务队列，客户端是生产者，线程池是消费者，应该算是单生产多消费的模型。

大致代码文件如下。

 1 main.cc

可以先往队列中push一个数字，看看程序跑起来有没有问题，没问题再将数字改成一个Task类。

2 线程池实现

        一个vp_用于保存多线程的id，tasks是个任务队列，多线程并发访问从中获得任务。

        任务队列我们就设计成阻塞队列。线程同步解析-优快云博客   这篇博客中曾提及阻塞队列和环形队列，它们在访问队列的设计时不一样的，这就导致实现同步的方式不一样，例如环形队列的空间是固定开辟好的，不方便判空和判满，如果用条件变量来实现同步，判空判满会很麻烦，大家可以下去试试。

       我们阻塞队列实现同步用条件变量，而且是两个条件变量，生产者和消费者不可以共用一个条件变量的，这个在上面那篇博客中也提过。我试想了一下用信号量不太行，因为我们在阻塞队列是直接Push和pop的，如果pop将队列变为空，此时空间信号量和数据信号量都归零了，所以如果要用信号量就得像环形队列那样访问队列。

        阻塞队列中生产者和消费者无法并发访问任务队列，所以只有一把锁，因为我们是复用了stl容器的push和pop，这个是线程不安全的，必须要加锁使用，环形队列没有复用stl的接口而且配合信号量，所以才可以用两把锁，可以让push和pop并发。下面是一些基本函数封装

#define NUM 5
template<class T>
class threadPool
{
public:
    threadPool(int size = NUM)
    :vp_(size)
    {
        pthread_mutex_init(&mutex_,nullptr);
        pthread_cond_init(&Consumer,nullptr);
        pthread_cond_init(&Productor,nullptr);
    }
     ~threadPool()
    {
        pthread_mutex_destroy(&mutex_);
        pthread_cond_destroy(&Consumer);
        pthread_cond_destroy(&Productor);
    }
    void Lock()
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex_);
    }
    void Unlock()
    {
        pthread_mutex_unlock(&mutex_);
    }
   
    bool Full()
    {
        return tasks_.size() == NUM;
    }
    bool Empty()
    {
        return tasks_.size() == 0;
    }
   
   
    std::queue<T> tasks_;  任务队列
    std::vector<pthread_t> vp_; 线程池,不能存指针,内部要解引用访问的
    pthread_mutex_t mutex_;
    pthread_cond_t Consumer;
    pthread_cond_t Productor;
};

        线程执行函数

    static void* threadRun(void* arg) 这个函数必须为静态的,否则参数会不匹配
    {
            线程分离，懒得join了
        pthread_detach(pthread_self());
        threadPool<T>* tp = static_cast<threadPool<T>*> (arg);

        取出一个数据进行读取或者取一个任务来执行

        T data;
        tp->pop(data);
        std::cout<<data.getformat()<<std::endl;
           执行任务
        data();
        std::cout<<data.getRformat()<<"id: "<<pthread_self()<<std::endl;
    }
    void start()
    {
        for(int i = 0; i < NUM; i++)  创建多线程
        {
            pthread_create(vp_[i],nullptr,threadRun,this);
                                    为了threadRun可以访问类内成员，只能把this传入了
        }
    }

push和pop函数介绍，push函数由于我们是单个生产者，可以加锁也可以不加。

     void push(const T&data)
    {
        Lock();
        while(tp->Full())
        {
            pthread_cond_wait(&tp->Productor,&tp->mutex_);
        }
        tasks_.push(data);
        pthread_cond_signal(&Consumer); 唤醒消费者
        Unlock();
    }

    防止多个线程并发pop，要加锁控制
    void pop(T& data)
    {
        Lock();
         //检查是否有任务
        while(tp->Empty())
        {
            pthread_cond_wait(&tp->Consumer,&tp->mutex_);
        }
        data = tasks_.front();
        pthread_cond_signal(&Productor); 
        Unlock();
    }

        这就是所有的代码了，不过还可以改进，因为我之前写过对锁和创建线程的原生线程库接口进行封装，可以添加到这里。

二 线程池优化

class Mutex
{
public:
    Mutex(pthread_mutex_t* lock)
    :lock_(lock)
    {
        ;
    }
    ~Mutex()
    {
        ;
    }
    void Lock()
    {
        pthread_mutex_lock(lock_);//加锁
    }
    void Unlock()
    {
        pthread_mutex_unlock(lock_);//解锁
    }
private:
    pthread_mutex_t* lock_;
};
class LockGuard
{
public:
    LockGuard(pthread_mutex_t* lock)
    :mt_(lock)
    {
        mt_.Lock();
    }
    ~LockGuard()
    {
        mt_.Unlock();
    }
private:
    Mutex mt_;
}; 
class Thread
{
public:
    typedef enum
    {
        NEW = 1,
        RUNING,
        EXIT
    }status;
    typedef void* (*fun_t)(void*);
    Thread()
    {
        ;
    }
    Thread(int num, fun_t fun, void* arg)
    :id_(0),fun_(fun),arg_(arg),status_(NEW)
    {
        name_ = "thread->" + std::to_string(num);
    }
    ~Thread()
    {
        ;
    }
    static void * threadRun(void*arg)
    {
        Thread* th = (Thread*) arg;
        th->fun_(th->arg_);
        return nullptr;
    }
    void Run()
    {
        int n = pthread_create(&id_,nullptr,threadRun,(void*)this);
        if(n != 0)//成功返回0，不成功返回错误码
            exit(4);
        status_ = RUNING;    
    }
    void join()
    {
        pthread_join(id_,nullptr);
        status_ = EXIT;
    }
    std::string getname()
    {
        return name_;
    }
    int getstatus()
    {
        return status_;
    }
    pthread_t  getid()
    {
        if(status_ == RUNING)
            return id_;
        else
        {
            std::cout<<name_<<" not create ";
            return 1;
        }    
    }
    pthread_t id_;
    std::string name_;//线程名
    status status_;//线程状态
    fun_t fun_;//线程执行函数
    void* arg_;//线程参数
};

template <class T>
class threadPool
{
public:
    threadPool(int size = NUM) // vp_存的自定义类型要有默认构造,不然这里初始化会找不到默认构造!
        : vp_(size)
    {
        pthread_mutex_init(&mutex_, nullptr);
        pthread_cond_init(&Consumer, nullptr);
        pthread_cond_init(&Productor, nullptr);
    }
    void init()
    {
        for (int i = 0; i < NUM; i++) 复用Thread类，将线程执行函数和this指针传入
            用来给Thread类内访问threadPool的静态成员函数threadRun。
        {
            vp_[i] = (Thread(i, threadRun, this));
        }
    }
    void Lock()
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex_);
    }
    void Unlock()
    {
        pthread_mutex_unlock(&mutex_);
    }
    static void *threadRun(void *arg)
    {
        threadPool<T> *tp = static_cast<threadPool<T> *>(arg);

        while (true)
        {
            T data;
            tp->pop(data);
            std::cout << data.getformat() << std::endl;
            data();
            std::cout << data.getRformat() << "id: " << pthread_self() << std::endl;
        }
    }
    bool Full()
    {
        return tasks_.size() == NUM;
    }
    bool Empty()
    {
        return tasks_.size() == 0;
    }
    void start()
    {
        for (auto &e : vp_) 复用Thread Run方法创建线程
        {
            e.Run();
        }
    }
    ~threadPool()
    {
        for (auto &e : vp_)复用Thread join方法回收线程
        {
            e.join();
        }
        pthread_mutex_destroy(&mutex_);
        pthread_cond_destroy(&Consumer);
        pthread_cond_destroy(&Productor);
    }
    void push(const T &data)
    {
        // Lock();
        {
            LockGuard lg(&mutex_); 复用LockGuard类进行加锁
            while (Full())
            {
                pthread_cond_wait(&Productor, &mutex_);
            }
            tasks_.push(data);
        }
        pthread_cond_signal(&Consumer);
        // Unlock();
    }
    void pop(T &data)
    {
        // Lock();
        {
            LockGuard lg(&mutex_);
            // 检查是否有任务
            while (Empty())
            {
                pthread_cond_wait(&Consumer, &mutex_);
            }
            data = tasks_.front();
            tasks_.pop();
        }
        pthread_cond_signal(&Productor);
        // Unlock();
    }
    std::queue<T> tasks_;  
    std::vector<Thread> vp_; 
    pthread_mutex_t mutex_;
    pthread_cond_t Consumer;
    pthread_cond_t Productor;
};

三 单例线程池

          因为我们想让程序中只有一个线程池，先了解了解懒汉，饿汉模式先，懒汉模式是等你要使用时再创建，而饿汉模式则是立刻创建，使用时直接用。我们下面就实现一个懒汉模式。

template <class T>
class threadPool
{
private:
    threadPool(int size = NUM)
        : vp_(size)
    {
        pthread_mutex_init(&mutex_, nullptr);
        pthread_cond_init(&Consumer, nullptr);
        pthread_cond_init(&Productor, nullptr);
    }
    void init()
    {
        for (int i = 0; i < NUM; i++)
        {
            vp_[i] = (Thread(i, threadRun, this));
        }
    }
    ~threadPool()
    {
         for (auto &e : vp_) // 复用Thread join方法回收线程
        {
            e.join();
        }
        pthread_mutex_destroy(&mutex_);
        pthread_cond_destroy(&Consumer);
        pthread_cond_destroy(&Productor);
    }
    static threadPool<T>* getthreadPool()
    {
         if(nullptr == tp_)
        {
            LockGuard lg(&Poolmutex_);
            if (tp_ == nullptr)
           {       
                tp_ = new threadPool<T>;
                tp_->init(); 
                tp_->start();   
           }
        }
        return tp_;    
    }
    std::queue<T> tasks_;    
    std::vector<Thread> vp_; 
    pthread_mutex_t mutex_;
    pthread_cond_t Consumer;
    pthread_cond_t Productor;
    static threadPool<T>* tp_;
    static pthread_mutex_t Poolmutex_;
};
template<class T>
threadPool<T>*threadPool<T>::tp_ = nullptr;
template<class T>
pthread_mutex_t threadPool<T>::Poolmutex_ = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

        构造函数，拷贝，赋值私有，这样就不能new，不能创建静态对象，也不能在栈上创建对象了，析构可以私有，那就得再实现一个静态函数Destroy，内部封装delete tp_，就可以释放资源了。

让外部获取该对象，显然这里的if判断会有线程安全的问题，等会解决。

然后还要初始化和start一下。

加锁保护，那就要搞一把静态锁了，不然静态成员函数怎么访问呢?创建对象?我们现在可是在搞单例啊。

        但是没必要都加锁，当对象已经创建好了，直接返回就好了，就没必要获取锁了，可以外层再套个if，这个if不用担心线程安全。

四 常见锁介绍

        悲观锁，一旦可能出现线程安全就加锁，总是悲观地认为其它线程会修改自己的数据，所以我们上面实现的基本上都是悲观锁，乐观锁，认为其它线程不会修改数据，不加锁，但是在更新数据的时候判断数据有没有被修改，如何判断呢，1 采用版本号，也就是读取数据的时候会伴随着读取它的版本号，如果修改了数据内容，就要更改版本号，这样如果有人拿着1.0版本的数据算出来的结果，要写入时发现数据的版本号已经变成2.0了，就不能写了，此时会重新读取数据，重新计算，然后再写入。2 采用CAS，也就是会将先前取得的数据和内存数据做对比，相等则用新数据更新，不相等则不断重试。

        自旋锁：自旋锁就是申请不到，不是去阻塞，而是继续申请，因为有可能锁很快就可以给你了，但是你却非要去阻塞，为了效率就设计出不让你去阻塞，而是让你继续申请的锁。同理如果是直接去阻塞的说明这个场景下并不会很快申请到锁，

函数如下图，trylock函数是非阻塞式，可是lock不才是非阻塞式一直申请吗，因为我们感知不到轮询这个过程，我们只知道线程一直卡在lock函数处，我们以为它在阻塞，实际上是在轮询，非阻塞就是不轮询，直接返回。

读写锁

        读加锁

        写加锁

        读者写者问题分析，首先读者和读者是无关系的，因为读者不修改数据，真的只是读，但是cp问题中的的读者是要拿走数据的，这两种读不是一个概念，还有读和写也是互斥和同步关系，写和写则是互斥。至于如何使用这些函数，很简单，读的时候就用读加锁，写的时候就用写加锁呗。