互斥量和信号量实现线程池

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前言

在传统服务器结构中，常有一个总的监听线程监听新用户连接服务器，每当有一个新的用户进入，服务器就开启一个新的线程用户处理这个用户的数据包，这个线程只服务于这个用户，当用户与服务器端关闭连接以后，服务器端销毁这个线程

然而频繁地开辟与销毁线程极大地占用了系统的资源，线程池基本思想就是在程序开始时就在内存中开辟一些线程，通过对多个任务重用已经存在的线程对象，降低了对线程对象创建和销毁的开销，服务器只需要将数据包交给线程池就可以了

当有新的客户请求到达时，不是新创建一个线程，而是从“池子”中选择一个空闲的线程为新的客户请求服务，服务完毕后线程重新进入空闲线程池中。如果没有线程空闲的话，就将数据包暂时积累， 等待线程池内有线程空闲以后再进行处理

一般一个简单线程池包括：

1. 线程组：创建好的多个线程
2. 任务队列：存放未处理的任务，提供一种缓冲机制
3. 互斥量：用于添加任务和执行任务时互斥操作任务队列
4. 信号量：表示任务队列中是否有任务

一、线程池模型代码

代码实现如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>

#define     THREAD_NUM   5             
typedef     void* (*Func)(void *arg);  

struct job {    
    Func func;  // 任务处理函数
    void *arg;  // 任务处理数据
    struct job *next;  // 队列中下一个任务
};

pthread_t threads[THREAD_NUM];  // 线程池中的线程
struct job* head = NULL;        // 任务队列，新任务插入到队列末尾，执行任务则取队列头节点
pthread_mutex_t mutex;          // 互斥量，用于添加任务和执行任务时互斥操作任务队列
sem_t sem;                      // 信号量，表示任务队列中是否有任务

void* threadFunc(void* arg)     // 线程池中线程函数
{
    Func jobFunc;
    void *jobArg;
    struct job *node;

    while (1)
    {        
        sem_wait(&sem);     // 等待有新任务插入到队列
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        node = head;
        head = head->next;  // 读取头结点任务执行
        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        jobFunc = node->func;
        jobArg = node->arg;
        jobFunc(jobArg);    // 执行任务
        free(node);
    }
}

void addJob(Func func, void *arg)
{
    struct job* jobNode = (struct job*)malloc(sizeof(struct job));
    jobNode->func = func;
    jobNode->arg = arg;
    jobNode->next = NULL;

    pthread_mutex_lock(&mutex);
    if (NULL == head)           
    {
        head = jobNode;
    }
    else
    {
        struct job *node = head;
        while (node->next)          // 新任务插入到队列末尾 
        {
            node = node->next;
        } 
        node->next = jobNode; 
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    sem_post(&sem);                 // 通知线程池中线程有任务可执行
}

void init()
{
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    sem_init(&sem, 0, 0);           // 初始队列中没有任务

    for (int i=0; i<THREAD_NUM; i++)
    {
        pthread_create(&threads[i], NULL, threadFunc, NULL);
    }
    
    /* 
        addJob(xxx, xxx);
        ...
    */
}