Linux知识点 -- Linux多线程（四）

Linux知识点 – Linux多线程（四）

文章目录

  • Linux知识点 -- Linux多线程（四）
  • 一、线程池
    • 1.概念
    • 2.实现
    • 3.单例模式的线程池
  • 二、STL、智能指针和线程安全
    • 1.STL的容器是否是线程安全的
    • 2.智能指针是否是线程安全的
  • 三、其他常见的各种锁
  • 四、读者写者问题
    • 1.读写锁
    • 2.读写锁接口

一、线程池

1.概念

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。

  • 预先申请资源，用空间换时间；
  • 预先申请一批线程，任务到来就处理；
  • 线程池就是一个生产消费模型；

2.实现

thread.hpp
线程封装：

#pragma once

#include<iostream>
#include<string>
#include<functional>
#include<cstdio>

typedef void* (*fun_t)(void*); // 定义函数指针类型，后面回调

class ThreadData  // 线程信息结构体
{
public:
    void* _args;
    std::string _name;
};

class Thread
{
public:
    Thread(int num, fun_t callback, void* args)
        : _func(callback)
    {
        char nameBuffer[64];
        snprintf(nameBuffer, sizeof(nameBuffer), "Thread-%d", num);
        _name = nameBuffer;

        _tdata._args = args;
        _tdata._name = _name;
    }

    void start() // 创建线程
    {
        pthread_create(&_tid, nullptr, _func, (void*)&_tdata); // 直接将_tdata作为参数传给回调函数
    }

    void join() // 线程等待
    {
        pthread_join(_tid, nullptr);
    }

    std::string name()
    {
        return _name;
    }

    ~Thread()
    {}

private:
    std::string _name;
    fun_t _func;
    ThreadData _tdata;
    pthread_t _tid;
};

lockGuard.hpp
锁的封装，构建对象时直接加锁，对象析构时自动解锁；

#pragma once

#include <iostream>
#include <pthread.h>

class Mutex
{
public:
    Mutex(pthread_mutex_t *mtx)
        : _pmtx(mtx)
    {
    }

    void lock()
    {
        pthread_mutex_lock(_pmtx);
    }

    void unlock()
    {
        pthread_mutex_unlock(_pmtx);
    }

    ~Mutex()
    {}

private:
    pthread_mutex_t *_pmtx;
};


class lockGuard
{
public:
    lockGuard(pthread_mutex_t *mtx)
        : _mtx(mtx)
    {
        _mtx.lock();
    }

    ~lockGuard()
    {
        _mtx.unlock();
    }
private:
    Mutex _mtx;
};

log.hpp

#pragma once

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cstdarg>
#include<ctime>
#include<string>

//日志级别
#define DEBUG 0
#define NORMAL 1
#define WARNING 2
#define ERROR 3
#define FATAL 4

const char* gLevelMap[] = {
    "DEBUG",
    "NORMAL",
    "WARNING",
    "ERROR",
    "FATAL"
};

#define LOGFILE "./threadpool.log"

//完整的日志功能，至少需要：日志等级 时间 支持用户自定义（日志内容，文件行，文件名）

void logMessage(int level, const char* format, ...)
{
#ifndef DEBUG_SHOW
    if(level == DEBUG) return;
#endif

    char stdBuffer[1024];//标准部分
    time_t timestamp = time(nullptr);
    snprintf(stdBuffer, sizeof(stdBuffer), "[%s] [%ld] ", gLevelMap[level], timestamp);

    char logBuffer[1024];//自定义部分
    va_list args;
    va_start(args, format);
    vsnprintf(logBuffer, sizeof(logBuffer), format, args);
    va_end(args);

    FILE* fp = fopen(LOGFILE, "a");
    fprintf(fp, "%s %s\n", stdBuffer, logBuffer);
    fclose(fp);
}
  • 注：
    （1）提取可变参数
    在这里插入图片描述
    使用宏来提取可变参数：
    在这里插入图片描述
    将可变参数格式化打印到对应地点：
    在这里插入图片描述
    format是打印的格式；
    在这里插入图片描述
    （2）条件编译：
    在这里插入图片描述
    条件编译，不想调试的时候，就不加DEBUG宏，不打印日志信息；
    在这里插入图片描述
    -D：在命令行定义宏 ；

threadPool.hpp

线程池封装：

#include "thread.hpp"
#include <vector>
#include <queue>
#include <unistd.h>
#include "log.hpp"
#include "Task.hpp"
#include "lockGuard.hpp"

const int g_thread_num = 3;

template <class T>
class ThreadPool
{
public:
    pthread_mutex_t *getMutex()
    {
        return &_lock;
    }

    bool isEmpty()
    {
        return _task_queue.empty();
    }

    void waitCond()
    {
        pthread_cond_wait(&_cond, &_lock);
    }

    T getTask()
    {
        T t = _task_queue.front();
        _task_queue.pop();
        return t;
    }

    ThreadPool(int thread_num = g_thread_num)
        : _num(thread_num)
    {
        pthread_mutex_init(&_lock, nullptr);
        pthread_cond_init(&_cond, nullptr);
        for (int i = 1; i <= _num; i++)
        {
            _threads.push_back(new Thread(i, routine, this));
            // 线程构造传入的this指针，是作为ThreadData结构体的参数的，ThreadData结构体才是routine回调函数的参数
        }
    }

    void run()
    {
        for (auto &iter : _threads)
        {
            iter->start();
            logMessage(NORMAL, "%s %s", iter->name().c_str(), "启动成功");
        }
    }

    // 消费过程：线程调用回调函数取任务就是所谓的消费过程，访问了临界资源，需要加锁
    static void *routine(void *args)
    {
        ThreadData *td = (ThreadData *)args;
        ThreadPool<T> *tp = (ThreadPool<T> *)td->_args; // 拿到this指针
        while (true)
        {
            T task;
            {
                lockGuard lockguard(tp->getMutex());
                while (tp->isEmpty())
                {
                    tp->waitCond();
                }
                // 读取任务
                task = tp->getTask();
                // 任务队列是共享的，将任务从共享空间，拿到私有空间
            }
            task(td->_name); // 处理任务
        }
    }

    void pushTask(const T &task)
    {
        lockGuard lockguard(&_lock); // 访问临界资源，需要加锁
        _task_queue.push(task);
        pthread_cond_signal(&_cond); // 推送任务后，发送信号，让进程处理
    }

    ~ThreadPool()
    {
        for (auto &iter : _threads)
        {
            iter->join();
            delete iter;
        }
        pthread_mutex_destroy(&_lock);
        pthread_cond_destroy(&_cond);
    }

private:
    std::vector<Thread *> _threads; // 线程池
    int _num;
    std::queue<T> _task_queue; // 任务队列
    pthread_mutex_t _lock;     // 锁
    pthread_cond_t _cond;      // 条件变量
};
  • 注：
    （1）如果回调函数routine放在thread类里面，由于成员函数会默认传this指针，因此参数识别的时候可能会出错，所以需要设置成静态成员；在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    （2）如果设置成静态类内方法，这个函数只能使用静态成员，而不能使用其他类内成员；
    可以让routine函数拿到整体对象，在构造线程的时候，routine的参数传入this指针；
    在这里插入图片描述
    在构造函数的初始化列表中是参数的初始化，在下面的函数体中是赋值的过程，因此在函数体中对象已经存在了，就可以使用this指针了；
    （3）类内公有接口让静态成员函数routine通过this指针能够访问类内成员；
    在这里插入图片描述
    testMain.cc
#include"threadPool.hpp"
#include"Task.hpp"
#include<ctime>
#include<cstdlib>
#include<iostream>
#include<unistd.h>

int main()
{
    srand((unsigned long)time(nullptr) ^ getpid());

    ThreadPool<Task>* tp = new ThreadPool<Task>();
    tp->run();

    while(true)
    {
        //生产的时候，只做任务要花时间
        int x = rand()%100 + 1;
        usleep(7756);
        int y = rand()%30 + 1;
        Task t(x, y, [](int x, int y)->int{
            return x + y;
        });

        logMessage(DEBUG, "制作任务完成：%d+%d=?", x, y);

        //推送任务到线程池中
        tp->pushTask(t);

        sleep(1);
    }

    return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

3.单例模式的线程池

threadPool.hpp

#include "thread.hpp"
#include <vector>
#include <queue>
#include <unistd.h>
#include "log.hpp"
#include "Task.hpp"
#include "lockGuard.hpp"

const int g_thread_num = 3;

template <class T>
class ThreadPool
{
public:
    pthread_mutex_t *getMutex()
    {
        return &_lock;
    }

    bool isEmpty()
    {
        return _task_queue.empty();
    }

    void waitCond()
    {
        pthread_cond_wait(&_cond, &_lock);
    }

    T getTask()
    {
        T t = _task_queue.front();
        _task_queue.pop();
        return t;
    }

//单例模式线程池：懒汉模式
private:
    //构造函数设为私有
    ThreadPool(int thread_num = g_thread_num)
        : _num(thread_num)
    {
        pthread_mutex_init(&_lock, nullptr);
        pthread_cond_init(&_cond, nullptr);
        for (int i = 1; i <= _num; i++)
        {
            _threads.push_back(new Thread(i, routine, this));
            // 线程构造传入的this指针，是作为ThreadData结构体的参数的，ThreadData结构体才是routine回调函数的参数
        }
    }

    ThreadPool(const ThreadPool<T> &other) = delete;
    const ThreadPool<T>& operator=(const ThreadPool<T> &other) = delete;

public:
    //创建单例对象的类内静态成员函数
    static ThreadPool<T>* getThreadPool(int num = g_thread_num)
    {
        //在这里再加上一个条件判断，可以有效减少未来必定要进行的加锁检测的问题
        //拦截大量的在已经创建好单例的时候，剩余线程请求单例而直接申请锁的行为
        if(nullptr == _thread_ptr)
        {
            //加锁
            lockGuard lockguard(&_mutex);
            //未来任何一个线程想要获取单例，都必须调用getThreadPool接口
            //一定会存在大量的申请锁和释放锁的行为，无用且浪费资源
            if(nullptr == _thread_ptr)
            {
                _thread_ptr = new ThreadPool<T>(num);
            }
        }
        return _thread_ptr;
    }

    void run()
    {
        for (auto &iter : _threads)
        {
            iter->start();
            logMessage(NORMAL, "%s %s", iter->name().c_str(), "启动成功");
        }
    }

    // 消费过程：线程调用回调函数取任务就是所谓的消费过程，访问了临界资源，需要加锁
    static void *routine(void *args)
    {
        ThreadData *td = (ThreadData *)args;
        ThreadPool<T> *tp = (ThreadPool<T> *)td->_args; // 拿到this指针
        while (true)
        {
            T task;
            {
                lockGuard lockguard(tp->getMutex());
                while (tp->isEmpty())
                {
                    tp->waitCond();
                }
                // 读取任务
                task = tp->getTask();
                // 任务队列是共享的，将任务从共享空间，拿到私有空间
            }
            task(td->_name); // 处理任务
        }
    }

    void pushTask(const T &task)
    {
        lockGuard lockguard(&_lock); // 访问临界资源，需要加锁
        _task_queue.push(task);
        pthread_cond_signal(&_cond); // 推送任务后，发送信号，让进程处理
    }

    ~ThreadPool()
    {
        for (auto &iter : _threads)
        {
            iter->join();
            delete iter;
        }
        pthread_mutex_destroy(&_lock);
        pthread_cond_destroy(&_cond);
    }

private:
    std::vector<Thread *> _threads; // 线程池
    int _num;
    std::queue<T> _task_queue; // 任务队列

    static ThreadPool<T>* _thread_ptr;
    static pthread_mutex_t _mutex;

    pthread_mutex_t _lock;     // 锁
    pthread_cond_t _cond;      // 条件变量
};

//静态成员在类外初始化
template<class T>
ThreadPool<T>* ThreadPool<T>::_thread_ptr = nullptr;

template<class T>
pthread_mutex_t ThreadPool<T>::_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
多线程同时调用单例过程，由于创建过程是非原子的，有可能被创建多个对象，是非线程安全的；
需要对创建对象的过程加锁，就可以保证在多线程场景当中获取单例对象；
但是未来任何一个线程想调用单例对象，都必须调用这个成员函数，就会存在大量申请和释放锁的行为；
可以在之间加一个对单例对象指针的判断，若不为空，就不进行对象创建；
在这里插入图片描述
testMain.cc

#include"threadPool.hpp"
#include"Task.hpp"
#include<ctime>
#include<cstdlib>
#include<iostream>
#include<unistd.h>

int main()
{
    srand((unsigned long)time(nullptr) ^ getpid());

    //ThreadPool<Task>* tp = new ThreadPool<Task>();
    //tp->run();    
    ThreadPool<Task>::getThreadPool()->run();//创建单例对象

    

    while(true)
    {
        //生产的时候，只做任务要花时间
        int x = rand()%100 + 1;
        usleep(7756);
        int y = rand()%30 + 1;
        Task t(x, y, [](int x, int y)->int{
            return x + y;
        });

        logMessage(DEBUG, "制作任务完成：%d+%d=?", x, y);

        //推送任务到线程池中
        ThreadPool<Task>::getThreadPool()->pushTask(t);

        sleep(1);
    }

    return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

二、STL、智能指针和线程安全

1.STL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。

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,原子的操作弓|用计数；

三、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；
    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
    临界资源就绪的时间决定了线程等待的策略；
    不断检测资源是否就绪就是自旋（轮询检测）；
    自旋锁本质就是通过不断检测锁状态，来检测资源是否就绪的方案    ；
    在这里插入图片描述
    互斥锁是检测到资源未就绪，就挂起线程；
    临界资源就绪的时间决定了使用哪种锁；

四、读者写者问题

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。

  • 读者写者模型与生产消费模型的本质区别：
    生产消费模型中消费者会取走数据，而读者写者模型中读者不会取走数据；

  • 读锁的优先级高；

2.读写锁接口

  • 初始化：
    在这里插入图片描述

  • 读者加锁：
    在这里插入图片描述

  • 写者加锁：

在这里插入图片描述
生产消费模型中，生产者和消费者的地位是对等的，这样才能达到最高效的状态
而读写者模型中，写者只有在读者全部退出的时候才能写，是读者优先的，这样就会发生写者饥饿问题；
读者写者问题中读锁的优先级高，是因为这种模型的应用场景为：数据的读取频率非常高，而被修改的频率特别低，这样有助于提升效率；

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Unity RenderStreaming 云渲染-黑屏

Unity RenderStreaming 云渲染-黑屏

&#x1f96a;云渲染-黑屏 网页加载出来了&#xff0c;点击播放黑屏 &#xff0c;关闭防火墙即可&#xff01;&#xff01;&#xff01;&#xff01;
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HarmonyOS/OpenHarmony(Stage模型）应用开发单一手势（二）

HarmonyOS/OpenHarmony(Stage模型）应用开发单一手势（二）

三、拖动手势&#xff08;PanGesture&#xff09; .PanGestureOptions(value?:{ fingers?:number; direction?:PanDirection; distance?:number}) 拖动手势用于触发拖动手势事件&#xff0c;滑动达到最小滑动距离&#xff08;默认值为5vp&#xff09;时拖动手势识别成功&am…
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c#多线程—基础概念到“双色球”项目实现（附知识点目录、代码、视频）

c#多线程—基础概念到“双色球”项目实现（附知识点目录、代码、视频）

总结&#xff1a;视频中对于多线程讲的非常透彻&#xff0c;从线程基础概念—>.net不同版本出现的线程方法—>多线程常出现问题—>双色球项目实践&#xff0c;每个知识点都有代码实操&#xff0c;受益匪浅。附上学习笔记和实操代码。 视频 目录 一、线程、进程概念及优…
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HarmonyOS—使用Web组件加载页面

HarmonyOS—使用Web组件加载页面

页面加载是 Web 组件的基本功能。根据页面加载数据来源可以分为三种常用场景&#xff0c;包括加载网络页面、加载本地页面、加载 HTML 格式的富文本数据。 页面加载过程中&#xff0c;若涉及网络资源获取&#xff0c;需要配置ohos.permission.INTERNET网络访问权限。 加载网络…
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QEMU 仿真RISC-V freeRTOS 程序

QEMU 仿真RISC-V freeRTOS 程序

1. 安裝RISC-V 仿真環境 --QEMU 安裝包下載地址: https://www.qemu.org/ 安裝命令及安裝成功效果如下所示, target-list 設定爲riscv32-softmmu, $ cat ~/project/qemu-8.0.4/install.sh sudo apt-get install libglib2.0-dev sudo apt-get install libpixman-1-dev ./co…
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【MySQL】基础语法总结

【MySQL】基础语法总结

MySQL 基础语句 一、DDL 数据库定义语言 1.1CREATE 创建 1.1.1 创建数据库 语法结构 CREATE DATABASE database_name;示例 CREATE DATABASE demo;1.1.2 创建表 语法结构 CREATE TABLE 表名 (列1 数据类型,列2 数据类型,... );示例 CREATE TABLE new_user (id INT PRIMARY KE…
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软考A计划-网络工程师-复习背熟-数据通信基础和局域网技术

软考A计划-网络工程师-复习背熟-数据通信基础和局域网技术

点击跳转专栏>Unity3D特效百例点击跳转专栏>案例项目实战源码点击跳转专栏>游戏脚本-辅助自动化点击跳转专栏>Android控件全解手册点击跳转专栏>Scratch编程案例点击跳转>软考全系列点击跳转>蓝桥系列 &#x1f449;关于作者 专注于Android/Unity和各种游…
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2.3 数据模型

2.3 数据模型

思维导图&#xff1a; 前言&#xff1a; 我的理解&#xff1a; 这段话介绍了概念模型和数据模型之间的关系&#xff0c;以及数据模型的定义和重要性。具体解读如下&#xff1a; 1. **概念模型**&#xff1a;它是一种描述现实世界数据关系的抽象模型&#xff0c;不依赖于任何…
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