大多數(shù)線程池實(shí)現(xiàn)都離不開鎖的使用，如互斥量pthread_mutex*結(jié)合條件變量pthread_cond*。眾所周知，鎖的使用對(duì)于程序性能影響較大，雖然現(xiàn)有的pthread_mutex*在鎖的申請(qǐng)與釋放方面做了較大的優(yōu)化，但是，線程池的實(shí)現(xiàn)是可以做到無(wú)鎖化的。

1.常見線程池實(shí)現(xiàn)原理

如上圖所示，工作隊(duì)列由主線程和工作者線程共享，主線程將任務(wù)放進(jìn)工作隊(duì)列，工作者線程從工作隊(duì)列中取出任務(wù)執(zhí)行。共享工作隊(duì)列的操作需在互斥量的保護(hù)下安全進(jìn)行，主線程將任務(wù)放進(jìn)工作隊(duì)列時(shí)若檢測(cè)到當(dāng)前待執(zhí)行的工作數(shù)目小于工作者線程總數(shù)，則需使用條件變量喚醒可能處于等待狀態(tài)的工作者線程。當(dāng)然，還有其他地方可能也會(huì)使用到互斥量和條件變量，不再贅述。

2.無(wú)鎖化線程池實(shí)現(xiàn)原理

為解決無(wú)鎖化的問(wèn)題，需要避免共享資源的競(jìng)爭(zhēng)，因此將共享工作隊(duì)列加以拆分成每工作線程一個(gè)工作隊(duì)列的方式。對(duì)于主線程放入工作和工作線程取出任務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，可以采取環(huán)形隊(duì)列的方式避免。在解決了鎖機(jī)制之后，就只剩下條件變量的問(wèn)題了，條件變量本身即解決條件滿足時(shí)的線程通信問(wèn)題，而信號(hào)作為一種通信方式，可以代替之，其大體編程范式為：

sigemptyset (&oldmask);
sigemptyset (&signal_mask);
sigaddset (&signal_mask, SIGUSR1);
rc = pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &signal_mask, NULL);
if (rc != 0) {
    debug(TPOOL_ERROR, "SIG_BLOCK failed");
    return -1;
}
...

while (!condition) {
    rc = sigwait (&signal_mask, NULL);
    if (rc != 0) {
        debug(TPOOL_ERROR, "sigwait failed");
        return -1;
    }
}

rc = pthread_sigmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL);
if (rc != 0) {
    debug(TPOOL_ERROR, "SIG_SETMASK failed");
    return -1;
}

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3.無(wú)鎖化線程池具體實(shí)現(xiàn)

在無(wú)鎖線程池中，區(qū)別于常見線程池的地方主要在于信號(hào)與條件變量、任務(wù)調(diào)度算法、增加或減少線程數(shù)目后的任務(wù)遷移，另外還有一點(diǎn)就是環(huán)形隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)參考了Linux內(nèi)核中的kfifo實(shí)現(xiàn)。

(1) 信號(hào)與條件變量

信號(hào)與條件變量的區(qū)別主要在于條件變量的喚醒(signal)對(duì)于接收線程而言可以忽略，而在未設(shè)置信號(hào)處理函數(shù)的情況下信號(hào)的接收會(huì)導(dǎo)致接收線程甚至整個(gè)程序的終止，因此需要在線程池產(chǎn)生線程之前指定信號(hào)處理函數(shù)，這樣新生的線程會(huì)繼承這個(gè)信號(hào)處理函數(shù)。多線程中信號(hào)的發(fā)送主要采用pthread_kill，為避免使用其他信號(hào)，本程序中使用了SIGUSR1。

(2) 任務(wù)調(diào)度算法

常見線程池實(shí)現(xiàn)的任務(wù)調(diào)度主要在操作系統(tǒng)一級(jí)通過(guò)線程調(diào)度實(shí)現(xiàn)。考慮到負(fù)載均衡，主線程放入任務(wù)時(shí)應(yīng)采取合適的任務(wù)調(diào)度算法將任務(wù)放入對(duì)應(yīng)的工作者線程隊(duì)列，本程序目前已實(shí)現(xiàn)Round-Robin和Least-Load算法。Round-Robin即輪詢式地分配工作，Least-Load即選擇當(dāng)前具有最少工作的工作者線程放入。

(3) 任務(wù)遷移

在線程的動(dòng)態(tài)增加和減少的過(guò)程中，同樣基于負(fù)載均衡的考量，涉及到現(xiàn)有任務(wù)的遷移問(wèn)題。負(fù)載均衡算法主要基于平均工作量的思想，即統(tǒng)計(jì)當(dāng)前時(shí)刻的總?cè)蝿?wù)數(shù)目，均分至每一個(gè)線程，求出每個(gè)工作者線程應(yīng)該增加或減少的工作數(shù)目，然后從頭至尾遍歷，需要移出工作的線程與需要移入工作的線程執(zhí)行任務(wù)遷移，相互抵消。最后若還有多出來(lái)的工作，再依次分配。遷入工作不存在競(jìng)態(tài)，因?yàn)榧尤牍ぷ魇冀K由主線程完成，而遷出工作則存在競(jìng)態(tài)，因?yàn)樵谶w出工作的同時(shí)工作者線程可能在同時(shí)執(zhí)行任務(wù)。所以需要采用原子操作加以修正，其主要思想即預(yù)取技術(shù)，大致實(shí)現(xiàn)為：

do {
    work = NULL;
    if (thread_queue_len(thread) <= 0)  //also atomic
        break;
    tmp = thread->out;
    //prefetch work
    work = &thread->work_queue[queue_offset(tmp)];
} while (!__sync_bool_compare_and_swap(&thread->out, tmp, tmp + 1));
if (work) {
    // do something在線程的動(dòng)態(tài)減少后，原先線程上未能執(zhí)行完的任務(wù)只需要由
    //主線程再次根據(jù)任務(wù)調(diào)度算法重新分配至其他存活的工作者線程隊(duì)列中即可，不
    //存在上述問(wèn)題，當(dāng)然，此時(shí)可以同時(shí)執(zhí)行負(fù)載均衡算法加以優(yōu)化。
}

(4) 環(huán)形隊(duì)列

源碼中環(huán)形隊(duì)列實(shí)現(xiàn)主要參考了linux內(nèi)核中kfifo的實(shí)現(xiàn)，如下圖所示：