【Muduo】线程:Thread、EventLoopThread、EventLoopThreadPool

Muduo是 one loop per thread 模型的典范,其将EventLoop和thread封装成EventLoopThread,并且实现了一个简单的线程池来管理所有运行着loop的线程。

Thread

Thread是最基础的多线程表示。它封装了操作系统线程创建、管理、销毁等功能的类。在 Muduo 中,Thread类解绑了线程的创建和线程的启动,并保存了线程函数。

EventLoopThread

在解释 EventLoopThread之前,需要先理解 EventLoop。EventLoop是 Muduo 中事件循环的核心组件,它负责监听 I/O 事件、定时器事件等,并在这些事件发生时调用相应的回调函数。每个 EventLoop实例通常与一个线程关联,并在这个线程的事件循环中运行。

EventLoopThread是 Thread和 EventLoop的结合体。它封装了一个线程和一个运行在该线程上的 EventLoop实例。当创建一个 EventLoopThread对象时,它会创建一个新线程,并在这个线程中初始化并运行一个 EventLoop实例,而当EventLoopThread开始执行startLoop时,子线程才真正开始执行。

EventLoopThreadPool

EventLoopThreadPool是对多个 EventLoopThread的管理。它维护了一个 EventLoopThread的线程池,允许用户自己设置线程池的线程个数,在创建线程时同时生成每个线程的EventLoop。并且在TcpServer中有新连接到来时,通过轮训算法选择一个子线程。这对于处理大量并发连接或需要并行处理的任务非常有用。

源码

Thread.h

#include <thread>
#include "noncopyable.h"
#include <functional>
#include <atomic>
#include <string>
#include <memory>

class Thread : noncopyable
{
public:
    // 若函数带返回值,则需要绑定器相关编程
    using ThreadFunc = std::function<void()>;
    // 构造函数不应被用于隐式类型转换
    explicit Thread(ThreadFunc, const std::string &name = std::string());
    ~Thread();

    void start();

    void join();

    bool started() const { return started_; }
    pid_t tid() const { return tid_; }
    const std::string &name() const { return name_; }

    static int numCreated() { return numCreated_; }
private:
    void setDefaultName();
    std::shared_ptr<std::thread> pthread_; // 指针控制线程的开始时机
    bool started_;
    bool joined_; // 是普通的线程,主线程等待本线程执行完再继续。当前线程等待新线程执行完再返回
    pid_t tid_;
    ThreadFunc func_;
    std::string name_;

    static std::atomic_int numCreated_;
};

Thread.cc

#include "Thread.h"
#include "LogStream.h"
#include "CurrentThread.h"
#include <semaphore.h>
#include <iostream>

std::atomic_int Thread::numCreated_(0);

Thread::Thread(ThreadFunc func, const std::string &name)
    : started_(false),
      joined_(false),
      tid_(0),
      func_(std::move(func)), // 底层资源直接转移给func_
      name_(name)
{
    setDefaultName();
}
Thread::~Thread()
{
    // 线程不在运行没必要操作
    if(started_ && !joined_){ // join 和 detach 是线程必须的两种模式,必须选择其一
        pthread_->detach(); // 守护线程,主线程结束的时候此线程自动结束
    }
}

// 一个Thread对象就记录了一个新线程的详细信息
void Thread::start()
{
    started_ = true;
    sem_t sem;
    sem_init(&sem, false, 0);

    // 开启线程
    pthread_ = std::make_shared<std::thread>([&](){
        // 获取线程的tid值
        tid_ = CurrentThread::tid();
        //信号量+1
        sem_post(&sem);
        // 开启一个新线程,专门执行该线程函数
        func_(); 
    });

    // 等待tid_有值
    sem_wait(&sem);
}
void Thread::join()
{
    joined_ = true;
    pthread_->join();
}

void Thread::setDefaultName()
{
    if (name_.empty())
    {
        name_ = "Thread" + std::to_string(++numCreated_);
    }
}

EventLoopThread.h

#pragma once

#include "noncopyable.h"
#include "Thread.h"
#include <functional>
#include <string>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

class EventLoop;

// 绑定一个loop和thread,thread中创建loop
// one loop pre thread
class EventLoopThread : noncopyable
{
public:
    using ThreadInitCallback = std::function<void(EventLoop *)>;
    EventLoopThread(const ThreadInitCallback &cb = ThreadInitCallback(),
                    const std::string &name = std::string());
    ~EventLoopThread();

    EventLoop *startLoop();

private:
    // 线程函数,在其中创建loop
    void threadFunc(); 

    EventLoop *loop_;
    bool exiting_;
    Thread thread_;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable cond_;
    ThreadInitCallback callback_;
};

EventLoopThread.cc

#include "EventLoopThread.h"
#include "EventLoop.h"

EventLoopThread::EventLoopThread(const ThreadInitCallback &cb,
                                 const std::string &name)
    : loop_(nullptr)
    , exiting_(false)
    , thread_(std::bind(&EventLoopThread::threadFunc, this), name)
    , mutex_()
    , cond_()
    , callback_(cb)
{
}

EventLoopThread::~EventLoopThread()
{
    exiting_ = true;
    if (loop_ != nullptr)
    {
        loop_->quit();
        thread_.join(); // ?
    }
}

EventLoop *EventLoopThread::startLoop()
{
    thread_.start(); // 启动底层新线程,启动threadFunc

    EventLoop *loop = nullptr; // 此时还未在新线程生成新loop
    {
        std::unique_lock<std::mutex> ulock(mutex_);
        while (loop_ == nullptr)
        {
            cond_.wait(ulock);
        }
        loop = loop_; 
    }
    return loop;
}

// 本方法在新线程中执行
void EventLoopThread::threadFunc()
{
    // 新线程中创建一个独立的EventLoop,和thread一一对应
    // one loop pre thread
    EventLoop loop; 

    if (callback_)
    {
        // 执行上级准备的回调
        callback_(&loop);
    }
    {
        std::unique_lock<std::mutex> ulock(mutex_);
        loop_ = &loop;
        cond_.notify_one();
    }

    loop.loop();// EventLoop *EventLoopThread::loop() => Poller.poll  开始监听、处理读写
    //当前线程(是新线程)进入阻塞状态

    // loop()返回之后:
    std::unique_lock<std::mutex> ulock(mutex_);
    loop_ = nullptr;
}

EventLoopThreadPool.h

#pragma once

#include "noncopyable.h"
#include <functional>
#include <string>
#include <memory>
#include <vector>

class EventLoop;
class EventLoopThread;

class EventLoopThreadPool : noncopyable
{
public:
    using ThreadInitCallback = std::function<void(EventLoop *)>; // 初始化EventLoopThread之后的回调函数
    EventLoopThreadPool(EventLoop *baseLoop, const std::string &nameArg);
    ~EventLoopThreadPool();
    
    void setThreadNum(int numThreads) { numThreads_ = numThreads; }
    void start(const ThreadInitCallback &cb = ThreadInitCallback());

    // valid after calling start()
    /// round-robin
    // 如果在多线程中,baseLoop_默认以轮询的方式分配channel给subloop
    EventLoop *getNextLoop();

    /// with the same hash code, it will always return the same EventLoop
    // 用不到
    EventLoop *getLoopForHash(size_t hashCode);
    // 用不到
    std::vector<EventLoop *> getAllLoops();

    bool started() const
    {
        return started_;
    }

    const std::string &name() const
    {
        return name_;
    }

private:
    EventLoop *baseLoop_; // 父loop
    std::string name_;
    bool started_;
    int numThreads_;
    int next_;
    std::vector<std::unique_ptr<EventLoopThread>> threads_;
    std::vector<EventLoop *> loops_;
};

EventLoopThreadPool.cc

#include "EventLoopThreadPool.h"
#include "EventLoopThread.h"
#include "LogStream.h"

EventLoopThreadPool::EventLoopThreadPool(EventLoop *baseLoop, const std::string &nameArg)
    : baseLoop_(baseLoop), name_(nameArg), started_(false), numThreads_(0), next_(0)
{
    LOG_DEBUG << "EventLoopThreadPool::EventLoopThreadPool():" << nameArg;
}

EventLoopThreadPool::~EventLoopThreadPool()
{
}

void EventLoopThreadPool::start(const ThreadInitCallback &cb)
{
    started_ = true;
    LOG_DEBUG << "EventLoopThreadPool::start(const ThreadInitCallback &cb)" << "  numThreads_ = " << numThreads_ << " cb:" << (cb != 0);
    for (int i = 0; i < numThreads_; ++i)
    {
        std::string name = name_ + std::to_string(i);
        EventLoopThread *t = new EventLoopThread(cb, name);
        threads_.emplace_back(std::unique_ptr<EventLoopThread>(t));
        loops_.emplace_back(t->startLoop());// 底层创建线程,绑定一个新的EventLoop,并返回该loop的地址
    }
    // 整个服务只有一个线程,运行着baseLoop
    if (numThreads_ == 0 && cb)
    {
        LOG_DEBUG;
        cb(baseLoop_);
    }
    // LOG_DEBUG << "end";
}

EventLoop *EventLoopThreadPool::getNextLoop()
{
    LOG_DEBUG <<"EventLoopThreadPool::getNextLoop()  loops_.size()=" << loops_.size();
    EventLoop *loop = baseLoop_;
    if(!loops_.empty()){
        loop = loops_[next_];
        ++next_;
        if(next_ >= loops_.size()){
            next_ = 0;
        }
    }
    return loop;
}

EventLoop *EventLoopThreadPool::getLoopForHash(size_t hashCode)
{
    EventLoop* loop = baseLoop_;
    if(!loops_.empty()){
        loop = loops_[hashCode % loops_.size()]; // 循环提供loops中的loop
    }
    return loop;
}

std::vector<EventLoop *> EventLoopThreadPool::getAllLoops()
{
    if (loops_.empty())
    {
        return std::vector<EventLoop *>(1, baseLoop_);
    }
    else
    {
        return loops_;
    }
}

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