随笔之如何实现一个线程池

一 缘由：

最近因工作问题，需要实现一个简单的线程池，满足一下要求，

• 可伸缩，即一旦发现线程不够用，则可以动态增加线程。（至于缩减线程，这个可能难度比较大，暂时不考虑）。
• 支持超时任务。比如提交一个Task，可以设置5秒后执行，并且可以设置执行一次，还是每隔5秒执行。

基本上就是这两个要求。下面讨论下实现上的问题。

二 Windows平台

1 Windows平台实现一个线程池（不使用完成端口），我最初的想法是：

• 创建比如20个线程，然后这20个线程都WaitForXXXObject，在一个Event上。
• 添加任务的时候，触发这个Event，为了避免惊群现象（例如只有1个任务的时候，20个线程全起来抢任务，结果其他19个线程白起来了。这样导致系统效率会显著下降。），CreateEvent的时候可以设置下，保证只有一个在等待的线程会启动。

问题：

• 不太好实现超时任务，这20个线程，该哪一个去做超时检测呢？虽然Wait函数提供了超时机制，但总不可能这20个都去做超时检测吧？
• 解决办法是，可能需要单独一个线程去定时检查，然后把到期的任务加入到任务队列头，然后触发Event，这样其他线程就能顺利得到任务了。
• 另外一种方式是这20个线程中有一个做超时检查，然后执行最先到期的任务。这样的问题就是如果该线程执行的任务要是时间过长的话，将导致其他超时任务没法执行。
• 综合考虑的话，还是用一个单独的线程去检查比较好。

2 Windows平台上使用完成端口

• 使用完成端口就简单了，线程池中的线程个数将是CPU个数的2倍（这个是推荐值，应该也是绝大多数人的选择了）。
• Wait的时候，当有事情发生时，内核会自动调度一个线程去执行。而且接连的任务会倾向于使用同一个线程来执行。这样可以减少线程切换的时间。所以，惊群效应由内核保证不会发生了。
• 解决超时任务的检查，这个也没有更好的办法。只能采取和上面一样的方法了。

三 Linux平台

1 Linux平台实现线程池，基本思路和Windows一样，但是由于Linux提供的线程同步原语（POSIX）不如Windows好用，导致有一些特殊的地方需要注意：

• 在Windows上，线程间通知无外乎就是使用Event，在Linux上，使用POSIX的condition+mutex，也能完成同样的操作，但是这种方式在linux中用得相对较少，而是大量使用pipe，创建两个fd。当线程1想唤醒线程2的时候，就可以往writeFD中写数据，这样线程2阻塞在readFD中就能返回。我之前及其没搞明白为何要使用pipe，后来突然想明白了。因为Linux上阻塞的方法就是用select,poll和epoll，其中等待的都是FD，那么采用FD这种方式，能够统一调用方法。（因为POSIX缺乏WaitForMultiObject导致，网上有一个Linux下Wait/CreateEvent的系列实现，很难下载到。呵呵）
• 但是，现在有20个线程，总不可能创建20个pipe吧？即使有20个pipe，那么我要唤醒哪个线程，就得单独往那个线程的writeFD写数据。这明显不是一个好办法。只能使用condition+mutex了。为了避免惊群，操作cond的时候，只能使用Signal，而非Broadcast
• 超时任务的处理，那么也只能和Windows一样的方法了

四 一个实际的线程池设计

• 对用户来说，线程池处理的是任务。所以给线程池添加的应该是任务。那么任务有高，中，低三个优先级。另外，有些任务是需要一直占有线程的，所以还区分persist和非persist两种。设计的时候，分别有高中低三个优先级队列。线程池在挑选任务的时候，先处理高，然后是中低优先级的任务。
• 当线程池中的线程个数小于任务个数的时候，线程池应该自动增加池中的线程。这个就是自动扩展。当线程池中的线程检测到自己长时间没有工作，并且池中线程数量超过最大设置的数量时候，那么线程应该自动退出。按这种方式就可以实现一个比较好的自动缩减。这样的话，每个线程都需要有一个超时检测，看看自己是不是多余了。
• 对于定/超时任务，需要给线程池增加一个高优先级，persist的job。这个job自带一个定时任务队列。添加定时任务，其实就是给这个队列添加成员。然后唤醒该线程。这个线程从其中选择一个任务，然后再提交给线程池。（其实就是我们在Windows上的方案）