【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

文章目录

Linux线程
- 7. 线程池
- - 7.1 线程池介绍
  - 7.2 线程池的实现
  - 7.3 线程安全的线程池
  - - 7.3.1 单例模式的概念
    - 7.3.2 饿汉和懒汉模式
- 8. 常见锁使用汇总
- - 8.1 互斥锁（Mutex）
  - 8.2 条件变量（Condition Variable）
  - 8.3 信号量（Semaphore）
  - 8.4 自旋锁（Spin Lock）
  - 8.5 读写锁（Read-Write Lock）

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。

在这里插入图片描述

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;
}

在这里插入图片描述

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;
}

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

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。