Linux C系统编程：使用线程池，实现cp功能

清疚 2022-09-25 10:28 186阅读 0赞

**线程池的定义**

什么是线程池？简单点说，线程池就是有一堆已经创建好了的线程，初始它们都处于空闲等待状态，当有新的任务需要处理的时候，就从这个池子里面取一个空闲等待的线程来处理该任务，当处理完成了就再次把该线程放回池中，以供后面的任务使用。当池子里的线程全都处理忙碌状态时，线程池中没有可用的空闲等待线程，此时，根据需要选择创建一个新的线程并置入池中，或者通知任务线程池忙，稍后再试。

**为什么要用线程池？**

我们说，线程的创建和销毁比之进程的创建和销毁是轻量级的，但是当我们的任务需要大量进行大量线程的创建和销毁操作时，这个消耗就会变成的相当大。比如，当你设计一个压力性能测试框架的时候，需要连续产生大量的并发操作，这个是时候，线程池就可以很好的帮上你的忙。**线程池的好处就在于线程复用**，一个任务处理完成后，当前线程可以直接处理下一个任务，而不是销毁后再创建，**非常适用于连续产生大量并发任务的场合。**

**线程池工作原理**

线程池中每一个线程的工作过程如下：

![线程的工作流程][Center]

图1： 线程的工作流程

线程池的任务就在于负责这些线程的创建，销毁和任务处理参数传递、唤醒和等待。

1.      创建若干线程，置入线程池

2.      任务达到时，从线程池取空闲线程

3.      取得了空闲线程，立即进行任务处理

4.      否则新建一个线程，并置入线程池，执行3

5.      如果创建失败或者线程池已满，根据设计策略选择返回错误或将任务置入处理队列，等待处理

6.      销毁线程池

![Center 1][]

图2：线程池的工作原理

下面是根据老师给的代码，加以修改，实现Linux系统cp命令功能的代码实现：

头文件: thread\_pool.h

#ifndef _THREAD_POOL_H_
    #define _THREAD_POOL_H_
    
    #include <stdio.h>
    #include <stdbool.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    #include <strings.h>
    
    #include <errno.h>
    #include <pthread.h>
    
    #define MAX_WAITING_TASKS	1000
    #define MAX_ACTIVE_THREADS	20
    
    //任务
    struct task
    {
    	void *(*task)(void *arg);
    	void *arg;
    
    	struct task *next;
    };
    
    //线程池
    typedef struct thread_pool
    {
    	pthread_mutex_t lock;//互斥锁
    	pthread_cond_t  cond;//条件变量
    	struct task *task_list;//任务队列
    
    	pthread_t *tids;//线程id
    
    	unsigned waiting_tasks;//等待任务
    	unsigned active_threads;//
    
    	bool shutdown;//停始状态
    }thread_pool;
    
    struct file
    {
    	char srcfile[1024];
    	char dstfile[1024];
    };
    
    //初始化线程池
    bool
    init_pool(thread_pool *pool,
              unsigned int threads_number);
    
    //新增任务
    bool
    add_task(thread_pool *pool,
             void *(*task)(void *arg),
             void *arg);
    
    //新增线程
    int 
    add_thread(thread_pool *pool,
               unsigned int additional_threads_number);
    
    //移除线程
    int 
    remove_thread(thread_pool *pool,
                  unsigned int removing_threads_number);
    
    //销毁线程池
    bool destroy_pool(thread_pool *pool);
    
    //处理程序
    void *routine(void *arg);
    
    //copy函数
    void *(*copy)(void * arg);
    
    #endif

线程池：thread\_pool.c

#include "thread_pool.h"
    
    //互斥锁解锁
    void handler(void *arg)
    {
    
    	pthread_mutex_unlock((pthread_mutex_t *)arg);
    }
    
    //
    void *routine(void *arg)
    {
    	thread_pool *pool = (thread_pool *)arg;
    	struct task *p;//声明一个任务头节点
    	printf("runtone... ...\n");
    
    	while(1)
    	{
    
    		pthread_cleanup_push(handler, (void *)&pool->lock);//线程清理函数1
    		pthread_mutex_lock(&pool->lock);//上锁
    
    
    		while(pool->waiting_tasks == 0 && !pool->shutdown)//a.非停止状态
    		{
    			pthread_cond_wait(&pool->cond, &pool->lock);
    		}
    
    
    		if(pool->waiting_tasks == 0 && pool->shutdown == true)//b.停止状态
    		{
    			pthread_mutex_unlock(&pool->lock);//互斥锁解锁
    			pthread_exit(NULL);//退出线程
    		}
    
    
    		p = pool->task_list->next;//指向任务队列下一个任务节点
    		pool->task_list->next = p->next;//任务头节点的下一个赋值给线程池的变量
    		pool->waiting_tasks--;//任务等待队列减1
    
    
    		pthread_mutex_unlock(&pool->lock);//解锁
    		pthread_cleanup_pop(0);//2
    
    
    		pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_DISABLE, NULL);//线程的分离相关知识
    		(p->task)(p->arg);	
    		printf("runtine is running ...\n");
    		pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE, NULL);
    		free(p->arg);
    		free(p);
    	}
    
    	pthread_exit(NULL);
    }
    //初始化线程池
    bool init_pool(thread_pool *pool, unsigned int threads_number)
    {
    	pthread_mutex_init(&pool->lock, NULL);//互斥锁
    	pthread_cond_init(&pool->cond, NULL); //条件变量初始化，pool->cond条件变量
    
    	pool->shutdown = false;//非关闭状态
    	pool->task_list = malloc(sizeof(struct task));//为任务链表申请内存空间
    	pool->tids = malloc(sizeof(pthread_t) * MAX_ACTIVE_THREADS);//为所有线程申请内存空间
    
    	if(pool->task_list == NULL || pool->tids == NULL)//判断任务是否有任务、是否有线程
    	{
    		perror("allocate memory error");
    		return false;
    	}
    
    	pool->task_list->next = NULL;
    
    	pool->waiting_tasks = 0;
    	pool->active_threads = threads_number;//当前线程个数
    
    	int i;
    	for(i=0; i<pool->active_threads; i++)//初始化所有的线程
    	{
    		if(pthread_create(&((pool->tids)[i]), NULL,
    					routine, (void *)pool) != 0)
    		{
    			perror("create threads error");
    			return false;
    		}
    	}
    
    	return true;
    }
    //新增任务
    bool add_task(thread_pool *pool,
    			void *(*task)(void *arg), void *arg)
    {
    	struct task *new_task = malloc(sizeof(struct task));//为新任务申请内存空间
    	if(new_task == NULL)
    	{
    		perror("allocate memory error");
    		return false;
    	}
    	//给新任务数据赋值
    	new_task->task = task;
    	new_task->arg = arg;
    	new_task->next = NULL;
    	printf("new_task init successfully!\n");
    	//
    	pthread_mutex_lock(&pool->lock);//互斥锁上锁
    	if(pool->waiting_tasks >= MAX_WAITING_TASKS)//判断等待任务数是否大于最大数
    	{
    		pthread_mutex_unlock(&pool->lock);
    
    		fprintf(stderr, "too many tasks.\n");
    		free(new_task);
    
    		return false;
    	}
    	//把新的任务插入任务链表
    	struct task *tmp = pool->task_list;
    	while(tmp->next != NULL)
    		tmp = tmp->next;//指向链表尾
    
    	tmp->next = new_task;//把新任务节点插到链表尾
    	pool->waiting_tasks++;//任务等待加1
    	
    	printf("insert new_task to pthread_pool tasklink tail successfully!\n");
    	
    	pthread_mutex_unlock(&pool->lock);//互斥锁解锁
    	pthread_cond_signal(&pool->cond);//发送一个信号给另外一个正在处于阻塞等待状态的线程,使其脱离阻塞状态,继续执行.
    	
    	printf("close add_task successfully!\n");
    	return true;
    }
    //新增线程，返回进程数
    int add_thread(thread_pool *pool, unsigned additional_threads)
    {
    	if(additional_threads == 0)
    		return 0;
    
    	unsigned total_threads =
    		     pool->active_threads + additional_threads;//总线程数
    
    	int i, actual_increment = 0;
    	//对线程池中的线程进行创建
    	for(i = pool->active_threads;
    	    i < total_threads && i < MAX_ACTIVE_THREADS;
    	    i++)
    	{
    		if(pthread_create(&((pool->tids)[i]),
    				NULL, routine, (void *)pool) != 0)
    		{
    			perror("add threads error");
    
    			if(actual_increment == 0)
    				return -1;
    
    			break;
    		}
    		actual_increment++; //对实际创建的进程数计数
    	}
    
    	pool->active_threads += actual_increment;//更新活跃进程总数
    	return actual_increment;
    }
    //移除线程
    int remove_thread(thread_pool *pool, unsigned int removing_threads)
    {
    	if(removing_threads == 0)//移除个数为0，直接返回
    		return pool->active_threads;
    
    	int remain_threads = pool->active_threads - removing_threads;
    	remain_threads = remain_threads>0 ? remain_threads:1;
    
    	int i;
    	for(i=pool->active_threads-1; i>remain_threads-1; i--)
    	{
    		errno = pthread_cancel(pool->tids[i]);
    		if(errno != 0)
    			break;
    	}
    
    	if(i == pool->active_threads-1)
    		return -1;
    	else
    	{
    		pool->active_threads = i+1;
    		return i+1;
    	}
    }
    //销毁线程池
    bool destroy_pool(thread_pool *pool)
    {
    
    	pool->shutdown = true;
    	pthread_cond_broadcast(&pool->cond);
    
    	int i;
    	for(i=0; i<pool->active_threads; i++)
    	{
    		errno = pthread_join(pool->tids[i], NULL);
    		if(errno != 0)
    		{
    			printf("join tids[%d] error: %s\n",
    					i, strerror(errno));
    		}
    		else
    			printf("[%u] is joined\n", (unsigned)pool->tids[i]);
    		
    	}
    
    	free(pool->task_list);
    	free(pool->tids);
    	free(pool);
    
    	return true;
    }

主函数：copy.c

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <pthread.h>
    #include <strings.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <unistd.h>
    #include <dirent.h>
    #include <stdbool.h>
    #include <string.h>
    
    #include "thread_pool.h"
    
    //拷贝普通文件,成功返回0，失败返回-1
    void *copyregfile(void *arg)
    {
    	struct file * dofile = (struct file *)arg;
    	printf("copyregfile is running...\n");
    	struct stat file_stat;/*struct stat这个结构体是用来描述一个linux系统文件系统中的文件属性的结构*/
    	stat(dofile->srcfile, &file_stat);//获取文件的属性
    
    	int srcfd,dstfd;
    	srcfd = open(dofile->srcfile,O_RDONLY);
    	dstfd = open(dofile->dstfile,O_CREAT | O_TRUNC | O_RDWR,file_stat.st_mode);//以源文件的类型和权限创建文件
    
    	if(srcfd == -1 || dstfd == -1)
    	{
    		perror("open file:");
    		
    		//return -1;
    	}
    
    	int nread;
    	char buf[100];
    	while((nread = read(srcfd,buf,100)) > 0)
    	{
    		if( write(dstfd,buf,nread) == -1)
    		{
    			break;
    		}
    	}
    
    	close(dstfd);
    	return NULL;
    }
    
    
    
    //拷贝目录,成功返回0.失败返回-1
    int copydir(struct file* dofile)
    {
    	printf("copydir is running... \n");
    	struct stat file_stat;
    	stat(dofile->srcfile,&file_stat); //获取文件的属性
    	mkdir(dofile->dstfile,file_stat.st_mode); //以源目录的类型和目录来创建一个目录
    
    	DIR *srcdir = opendir(dofile->srcfile); //打开源目录
    	struct dirent *dp;
    	struct file *tmpfile = malloc(sizeof(struct file)); //对本目录下的所有文件进行拷贝操作
    
    	while( (dp = readdir(srcdir))!=NULL )
    	{
    		memset(tmpfile,0,sizeof(struct file));
    
    		if(dp->d_name[0] == '.') //如果文件为. 或者 .. 则跳过
    		{
    			continue;
    		}
    
    		sprintf(tmpfile->srcfile,"%s/%s",dofile->srcfile,dp->d_name);
    		sprintf(tmpfile->dstfile,"%s/%s",dofile->dstfile,dp->d_name);
    		
    
    		struct stat tmpstat;
    		stat(tmpfile->srcfile,&tmpstat);
    
    		if(S_ISREG(tmpstat.st_mode))//如果为普通文件,则拷贝
    		{
    			copyregfile(tmpfile);  //这个是任务
    			printf("%s\n",tmpfile->srcfile);
    		}
    		else if(S_ISDIR(tmpstat.st_mode))//如果为目录，则递归
    		{
    			copydir(tmpfile);
    			printf("%s\n",tmpfile->srcfile);
    		}
    
    	}
    	
    	closedir(srcdir);
    	free(tmpfile); 
    	return 0;
    }
    
    
    
    int main(int argc,char *argv[])
    {
    	printf("enter\n");
    	thread_pool *pool = malloc(sizeof(thread_pool));
    	init_pool(pool, 20);
    	//struct file *dofile = (struct file*)arg;
    	if(argc != 3)
    	{
    		printf("Please run : ./%s xxx yyy\n",argv[0]);
    		return -1;
    	}
    	
    	struct file dofile;
    	strcpy(dofile.srcfile,argv[1]);
    	strcpy(dofile.dstfile,argv[2]);
    	
    	struct stat srcstat;
    	stat(dofile.srcfile,&srcstat);
    	
    	if(S_ISREG(srcstat.st_mode))//如果为普通文件,则拷贝
    	{
    		add_task(pool,copyregfile,(void *)&dofile);
    	}
    	else if(S_ISDIR(srcstat.st_mode))//如果为目录，则递归
    	{
    		copydir(&dofile);
    	}
    	printf("current thread number: %d\n",
    		remove_thread(pool, 0));	
    	
    			
    	destroy_pool(pool);
    	return 0;
    }

编译：Makefile

CC = gcc
    CFLAGS = -O0 -Wall -g -lpthread
    
    test:thread_pool.c copy.c
    	$(CC) $^ -o $@ $(CFLAGS)
    
    debug:main.c thread_pool.c
    	$(CC) $^ -o $@ $(CFLAGS) -DDEBUG
    
    clean:
    	$(RM) .*.sw? test debug *.o
    
    .PHONY:all clean

运行：  
./test  源路径/文件 目标路径/文件

[Center]: /images/20220718/e0e0a62d337a467fa987232514dcc972.png
[Center 1]: /images/20220718/c95cd4a9be644b4d8e9846026fae26ea.png