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1.线程池

1.1 线程池:

1.2 线程池的应用场景：

1.3 线程池的种类：

1.4 线程池示例：

1.5 线程池编程模拟实现：

 2.  线程安全的单例模式

2.1 什么是单例模式

2.2 什么是设计模式

2.3 单例模式的特点

2.3.1 饿汉实现方式和懒汉实现方式

2.3.2 饿汉方式实现单例模式

2.3.3 懒汉方式实现单例模式

2.3.4 懒汉方式实现单例模式(线程安全版本)

3.STL、智能指针、线程安全

3.1 STL中的容器是否是线程安全的?

3.2 智能指针是否是线程安全的?

4. 其他常见的各种锁

5.  读者写者问题

5.1 读写锁

5.2 读写锁接口

5.3 编程模拟实现读写锁案例：

后记：●由于作者水平有限，文章难免存在谬误之处，敬请读者斧正，俚语成篇，恳望指教！

                                                                           ——By 作者：新晓·故知

1.线程池

/* 1.1 线程池:

*       一种线程使用模式。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。

* 1.2 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.

* 1.3 线程池的种类：

* 1.4 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

*/

1.5 线程池编程模拟实现：

version1:

 shell脚本：

ps -aL | grep -E 'master|follower'

ThreadPool.hpp:

 

 

#pragma once
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "Log.hpp"
#include "Lock.hpp"
using namespace std;int gThreadNum = 5;
template 
class ThreadPool
{
private:ThreadPool(int threadNum = gThreadNum):threadNum_(threadNum),isStart_(false){assert(threadNum_ > 0);pthread_mutex_init(&mutex_, nullptr);pthread_cond_init(&cond_, nullptr);}ThreadPool(const ThreadPool &) = delete;void operator=(const ThreadPool&) = delete;public:static ThreadPool *getInstance(){static Mutex mutex;if (nullptr == instance) //仅仅是过滤重复的判断{LockGuard lockguard(&mutex); //进入代码块，加锁。退出代码块，自动解锁if (nullptr == instance){instance = new ThreadPool();}}return instance;}//类内成员, 成员函数，都有默认参数this//static函数无法访问类内成员，只能通过接口，这里通过传入的this指针static void *threadRoutine(void *args){pthread_detach(pthread_self());ThreadPool *tp = static_cast *>(args);prctl(PR_SET_NAME, "follower");while (1){tp->lockQueue();while (!tp->haveTask()){tp->waitForTask();}//这个任务就被拿到了线程的上下文中T t = tp->pop();tp->unlockQueue();// for debugint one, two;char oper;t.get(&one, &two, &oper);//规定，所有的任务都必须有一个run方法Log() << "新线程完成计算任务: " << one << oper << two << "=" << t.run() << "\n";}}void start(){assert(!isStart_);for (int i = 0; i < threadNum_; i++){pthread_t temp;pthread_create(&temp, nullptr, threadRoutine, this);}isStart_ = true;}void push(const T &in){lockQueue();taskQueue_.push(in);choiceThreadForHandler();unlockQueue();}~ThreadPool(){pthread_mutex_destroy(&mutex_);pthread_cond_destroy(&cond_);}private:void lockQueue() { pthread_mutex_lock(&mutex_); }void unlockQueue() { pthread_mutex_unlock(&mutex_); }bool haveTask() { return !taskQueue_.empty(); }void waitForTask() { pthread_cond_wait(&cond_, &mutex_); }void choiceThreadForHandler() { pthread_cond_signal(&cond_); }T pop(){T temp = taskQueue_.front();taskQueue_.pop();return temp;}private:bool isStart_;int threadNum_;queue taskQueue_;pthread_mutex_t mutex_;pthread_cond_t cond_;static ThreadPool *instance;// const static int a = 100;
};template 
ThreadPool *ThreadPool::instance = nullptr;

ThreadPoolTest.cc:

 

#include "ThreadPool.hpp"
#include "Task.hpp"
#include 
#include // 如何对一个线程进行封装, 线程需要一个回调函数(支持lambda)自行实现
// class tread{
// };int main()
{prctl(PR_SET_NAME, "master");const string operators = "+/*/%";// unique_ptr > tp(new ThreadPool());unique_ptr > tp(ThreadPool::getInstance());tp->start();srand((unsigned long)time(nullptr) ^ getpid() ^ pthread_self());// 派发任务的线程while(true){int one = rand()%50;int two = rand()%10;char oper = operators[rand()%operators.size()];Log() << "主线程派发计算任务: " << one << oper << two << "=?" << "\n";Task t(one, two, oper);tp->push(t);sleep(1);}
}

Lock.hpp:

#pragma once
#include 
#include class Mutex
{
public:Mutex(){pthread_mutex_init(&lock_, nullptr);}void lock(){pthread_mutex_lock(&lock_);}void unlock(){pthread_mutex_unlock(&lock_);}~Mutex(){pthread_mutex_destroy(&lock_);}private:pthread_mutex_t lock_;
};class LockGuard
{
public:LockGuard(Mutex *mutex) : mutex_(mutex){mutex_->lock();std::cout << "加锁成功..." << std::endl;}~LockGuard(){mutex_->unlock();std::cout << "解锁成功...." << std::endl;}private:Mutex *mutex_;
};

Task.hpp:

#pragma once
#include 
#include class Task
{
public:Task() : elemOne_(0), elemTwo_(0), operator_('0'){}Task(int one, int two, char op) : elemOne_(one), elemTwo_(two), operator_(op){}int operator() (){return run();}int run(){int result = 0;switch (operator_){case '+':result = elemOne_ + elemTwo_;break;case '-':result = elemOne_ - elemTwo_;break;case '*':result = elemOne_ * elemTwo_;break;case '/':{if (elemTwo_ == 0){std::cout << "div zero, abort" << std::endl;result = -1;}else{result = elemOne_ / elemTwo_;}}break;case '%':{if (elemTwo_ == 0){std::cout << "mod zero, abort" << std::endl;result = -1;}else{result = elemOne_ % elemTwo_;}}break;default:std::cout << "非法操作: " << operator_ << std::endl;break;}return result;}int get(int *e1, int *e2, char *op){*e1 = elemOne_;*e2 = elemTwo_;*op = operator_;}
private:int elemOne_;int elemTwo_;char operator_;
};

 Log.hpp:

 

#pragma once
#include 
#include 
#include std::ostream &Log()
{std::cout << "Fot Debug |" << " timestamp: " << (uint64_t)time(nullptr) << " | " << " Thread[" << pthread_self() << "] | ";return std::cout;
}

makefile:

 

CC=g++
FLAGS=-std=c++11
LD=-lpthread
bin=threadpool
src=ThreadPoolTest.cc$(bin):$(src)$(CC) -o $@ $^ $(LD) $(FLAGS)
.PHONY:clean
clean:rm -f $(bin)

 version 2:

  

 g++  threadpool.cpp -o threadpool -pthread -lrt -std=c++0x

/*threadpool.h*/
/* 线程池:*       一种线程使用模式。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.* 线程池的种类：* 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*/
/*threadpool.hpp*/#ifndef __M_TP_H__
#define __M_TP_H__
#include 
#include 
#include 
#include 
#define MAX_THREAD 5
typedef bool (*handler_t)(int);
class ThreadTask
{
private:int _data;handler_t _handler;public:ThreadTask() : _data(-1), _handler(NULL) {}ThreadTask(int data, handler_t handler){_data = data;_handler = handler;}void SetTask(int data, handler_t handler){_data = data;_handler = handler;}void Run(){_handler(_data);}
};
class ThreadPool
{
private:int _thread_max;int _thread_cur;bool _tp_quit;std::queue _task_queue;pthread_mutex_t _lock;pthread_cond_t _cond;private:void LockQueue(){pthread_mutex_lock(&_lock);}void UnLockQueue(){pthread_mutex_unlock(&_lock);}void WakeUpOne(){pthread_cond_signal(&_cond);}void WakeUpAll(){pthread_cond_broadcast(&_cond);}void ThreadQuit(){_thread_cur--;UnLockQueue();pthread_exit(NULL);}void ThreadWait(){if(_tp_quit){ThreadQuit();}pthread_cond_wait(&_cond, &_lock);}bool IsEmpty(){return _task_queue.empty();}static void *thr_start(void *arg){ThreadPool *tp = (ThreadPool *)arg;while (1){tp->LockQueue();while (tp->IsEmpty()){tp->ThreadWait();}ThreadTask *tt;tp->PopTask(&tt);tp->UnLockQueue();tt->Run();delete tt;}return NULL;}public:ThreadPool(int max = MAX_THREAD) : _thread_max(max), _thread_cur(max),_tp_quit(false){pthread_mutex_init(&_lock, NULL);pthread_cond_init(&_cond, NULL);}~ThreadPool(){pthread_mutex_destroy(&_lock);pthread_cond_destroy(&_cond);}bool PoolInit(){pthread_t tid;for (int i = 0; i < _thread_max; i++){int ret = pthread_create(&tid, NULL, thr_start, this);if (ret != 0){std::cout << "create pool thread error\n";return false;}}return true;}bool PushTask(ThreadTask *tt){LockQueue();if (_tp_quit){UnLockQueue();return false;}_task_queue.push(tt);WakeUpOne();UnLockQueue();return true;}bool PopTask(ThreadTask **tt){*tt = _task_queue.front();_task_queue.pop();return true;}bool PoolQuit(){LockQueue();_tp_quit = true;UnLockQueue();while (_thread_cur > 0){WakeUpAll();usleep(1000);}return true;}
};
#endif
/*main.cpp*/
bool handler(int data)
{srand(time(NULL));int n = rand() % 5;printf("Thread: %p Run Tast: %d--sleep %d sec\n", pthread_self(), data, n);sleep(n);return true;
}
int main()
{int i;ThreadPool pool;pool.PoolInit();for (i = 0; i < 10; i++){ThreadTask *tt = new ThreadTask(i, handler);pool.PushTask(tt);}pool.PoolQuit();return 0;
}

 2.  线程安全的单例模式

2.1 什么是单例模式

单例模式是一种 "经典的, 常用的, 常考的" 设计模式.

2.2 什么是设计模式

IT行业这么火, 涌入的人很多. 俗话说林子大了啥鸟都有. 大佬和菜鸡们两极分化的越来越严重. 为了让菜鸡们不太拖大佬的后腿, 于是大佬们针对一些经典的常见的场景, 给定了一些对应的解决方案, 这个就是 设计模式

2.3 单例模式的特点

某些类, 只应该具有一个对象(实例), 就称之为单例. 例如一个男人只能有一个媳妇. 在很多服务器开发场景中, 经常需要让服务器加载很多的数据 (上百G) 到内存中. 此时往往要用一个单例的类来管理这些数据.

2.3.1 饿汉实现方式和懒汉实现方式

[洗完的例子] 吃完饭, 立刻洗碗, 这种就是饿汉方式. 因为下一顿吃的时候可以立刻拿着碗就能吃饭. 吃完饭, 先把碗放下, 然后下一顿饭用到这个碗了再洗碗, 就是懒汉方式. 懒汉方式最核心的思想是 "延时加载". 从而能够优化服务器的启动速度.

2.3.2 饿汉方式实现单例模式

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

只要通过 Singleton 这个包装类来使用 T 对象, 则一个进程中只有一个 T 对象的实例.

2.3.3 懒汉方式实现单例模式

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

存在一个严重的问题, 线程不安全. 第一次调用 GetInstance 的时候, 如果两个线程同时调用, 可能会创建出两份 T 对象的实例. 但是后续再次调用, 就没有问题了.

2.3.4 懒汉方式实现单例模式(线程安全版本)

 

注意事项: 1. 加锁解锁的位置 2. 双重 if 判定, 避免不必要的锁竞争 3. volatile关键字防止过度优化

3.STL、智能指针、线程安全

3.1 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.

3.2 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.

4. 其他常见的各种锁

• 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。（乐观锁是由程序员实现的）
• 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。
• 自旋锁，公平锁，非公平锁？

5.  读者写者问题

5.1 读写锁

在编写多线程的时候，有一种情况是十分常见的。那就是，有些公共数据修改的机会比较少。相比较改写，它们读的机会反而高的多。通常而言，在读的过程中，往往伴随着查找的操作，中间耗时很长。给这种代码段加锁，会极大地降低我们程序的效率。那么有没有一种方法，可以专门处理这种多读少写的情况呢？ 有，那就是读写锁。 注意：写独占，读共享，读锁优先级高

5.2 读写锁接口

设置读写优先

读写锁的行为

当前锁状态	读锁请求	写锁请求
无锁	可以	可以
读锁	可以	阻塞
写锁	阻塞	阻塞

 

int pthread_rwlockattr_setkind_np(pthread_rwlockattr_t *attr, int pref); 
/* 
pref 共有 3 种选择
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
*/

 

初始化

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

销毁

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

加锁和解锁

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

5.3 编程模拟实现读写锁案例：

version 1:

 

#include 
#include 
#include 
using namespace std;int board = 0;
pthread_rwlock_t rw;
void *reader(void* args)
{const char *name = static_cast(args);cout << "run..." << endl;while(true){pthread_rwlock_rdlock(&rw);cout << "reader read : " << board << "tid: " << pthread_self() << endl;sleep(1);pthread_rwlock_unlock(&rw);}
}void *writer(void *args)
{const char *name = static_cast(args);sleep(1);while(true){pthread_rwlock_wrlock(&rw);board++;cout << "I am writer" << endl;sleep(1);pthread_rwlock_unlock(&rw);}
}int main()
{pthread_rwlock_init(&rw, nullptr);pthread_t r1,r2,r3,r4,r5,r6, w;pthread_create(&r1, nullptr, reader, (void*)"reader");pthread_create(&r2, nullptr, reader, (void*)"reader");pthread_create(&r3, nullptr, reader, (void*)"reader");pthread_create(&r4, nullptr, reader, (void*)"reader");pthread_create(&r5, nullptr, reader, (void*)"reader");pthread_create(&r6, nullptr, reader, (void*)"reader");pthread_create(&w, nullptr, writer, (void*)"writer");pthread_join(r1, nullptr);pthread_join(r2, nullptr);pthread_join(r3, nullptr);pthread_join(r4, nullptr);pthread_join(r5, nullptr);pthread_join(r6, nullptr);pthread_join(w, nullptr);pthread_rwlock_destroy(&rw);return 0;
}

 

version 2:

 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include volatile int ticket = 1000;
pthread_rwlock_t rwlock;
void *reader(void *arg)
{char *id = (char *)arg;while (1){pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);if (ticket <= 0){pthread_rwlock_unlock(&rwlock);break;}printf("%s: %d\n", id, ticket);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);usleep(1);}return nullptr;
}
void *writer(void *arg)
{char *id = (char *)arg;while (1){pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);if (ticket <= 0){pthread_rwlock_unlock(&rwlock);break;}printf("%s: %d\n", id, --ticket);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);usleep(1);}return nullptr;
}
struct ThreadAttr
{pthread_t tid;std::string id;
};
std::string create_reader_id(std::size_t i)
{// 利用 ostringstream 进行 string 拼接std::ostringstream oss("thread reader ", std::ios_base::ate);oss << i;return oss.str();
}
std::string create_writer_id(std::size_t i)
{// 利用 ostringstream 进行 string 拼接std::ostringstream oss("thread writer ", std::ios_base::ate);oss << i;return oss.str();
}
void init_readers(std::vector &vec)
{for (std::size_t i = 0; i < vec.size(); ++i){vec[i].id = create_reader_id(i);pthread_create(&vec[i].tid, nullptr, reader, (void *)vec[i].id.c_str());}
}
void init_writers(std::vector &vec)
{for (std::size_t i = 0; i < vec.size(); ++i){vec[i].id = create_writer_id(i);pthread_create(&vec[i].tid, nullptr, writer, (void *)vec[i].id.c_str());}
}
void join_threads(std::vector const &vec)
{// 我们按创建的 逆序 来进行线程的回收for (std::vector::const_reverse_iterator it = vec.rbegin(); it != vec.rend(); ++it){pthread_t const &tid = it->tid;pthread_join(tid, nullptr);}
}
void init_rwlock()
{
#if 0   // 写优先pthread_rwlockattr_t attr;pthread_rwlockattr_init(&attr);pthread_rwlockattr_setkind_np(&attr, PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NONRECURSIVE_NP);pthread_rwlock_init(&rwlock, &attr);pthread_rwlockattr_destroy(&attr);
#else   // 读优先，会造成写饥饿pthread_rwlock_init(&rwlock, nullptr);
#endif
}
int main()
{// 测试效果不明显的情况下，可以加大 reader_nr// 但也不能太大，超过一定阈值后系统就调度不了主线程了const std::size_t reader_nr = 1000;const std::size_t writer_nr = 2;std::vector readers(reader_nr);std::vector writers(writer_nr);init_rwlock();init_readers(readers);init_writers(writers);join_threads(writers);join_threads(readers);pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
}

g++ -std=c++11 readwrite.cc -o readwrite -lpthread

 

后记：
●由于作者水平有限，文章难免存在谬误之处，敬请读者斧正，俚语成篇，恳望指教！

                                                                           ——By 作者：新晓·故知