一、基础概念

在讲线程池技术之前，我们先对操作系统中的一些基础概念，比如进程、线程、线程的创建与销毁等进行说明。

进程和线程

进程
一个在内存中运行的应用程序。每个进程都有自己独立的一块内存空间，一个进程可以有多个线程，比如在Windows系统中，一个运行的xx.exe就是一个进程。

线程
进程中的一个执行任务（控制单元），负责当前进程中程序的执行。一个进程至少有一个线程，一个进程可以运行多个线程，多个线程可共享数据。

与进程不同的是同类的多个线程共享进程的堆和方法区资源，但每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈，所以系统在产生一个线程，或是在各个线程之间作切换工作时，负担要比进程小得多，也正因为如此，线程也被称为轻量级进程。

Java 程序天生就是多线程程序，我们可以通过 JMX 来看一下一个普通的 Java 程序有哪些线程，代码如下。

public class MultiThread {
	public static void main(String[] args) {
		// 获取 Java 线程管理 MXBean
		ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();
		// 不需要获取同步的 monitor 和 synchronizer 信息，仅获取线程和线程堆栈信息
		ThreadInfo[] threadInfos = threadMXBean.dumpAllThreads(false, false);
		// 遍历线程信息，仅打印线程 ID 和线程名称信息
		for (ThreadInfo threadInfo : threadInfos) {
			System.out.println("[" + threadInfo.getThreadId() + "] " + threadInfo.getThreadName());
		}
	}
}

上述程序输出如下（输出内容可能不同，不用太纠结下面每个线程的作用，只用知道 main 线程执行 main 方法即可）：

[6] Monitor Ctrl-Break //监听线程转储或“线程堆栈跟踪”的线程
[5] Attach Listener //负责接收到外部的命令，而对该命令进行执行的并且把结果返回给发送者
[4] Signal Dispatcher // 分发处理给 JVM 信号的线程
[3] Finalizer //在垃圾收集前，调用对象 finalize 方法的线程
[2] Reference Handler //用于处理引用对象本身（软引用、弱引用、虚引用）的垃圾回收的线程
[1] main //main 线程,程序入口

从上面的输出内容可以看出：一个 Java 程序的运行是 main 线程和多个其他线程同时运行。

进程与线程的区别总结
线程具有许多传统进程所具有的特征，故又称为轻型进程(Light—Weight Process)或进程元；而把传统的进程称为重型进程(Heavy—Weight Process)，它相当于只有一个线程的任务。在引入了线程的操作系统中，通常一个进程都有若干个线程，至少包含一个线程。

根本区别：进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是处理器任务调度和执行的基本单位

资源开销：每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），程序之间的切换会有较大的开销；线程可以看做轻量级的进程，同一类线程共享代码和数据空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC），线程之间切换的开销小。

包含关系：如果一个进程内有多个线程，则执行过程不是一条线的，而是多条线（线程）共同完成的；线程是进程的一部分，所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程。

内存分配：同一进程的线程共享本进程的地址空间和资源，而进程之间的地址空间和资源是相互独立的

影响关系：一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响，但是一个线程崩溃整个进程都死掉。所以多进程要比多线程健壮。

执行过程：每个独立的进程有程序运行的入口、顺序执行序列和程序出口。但是线程不能独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制，两者均可并发执行

堆和方法区是所有线程共享的资源，其中堆是进程中最大的一块内存，主要用于存放新创建的对象 (所有对象都在这里分配内存)，方法区主要用于存放已被加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

多进程和多线程区别

多进程：操作系统中同时运行的多个程序

多线程：在同一个进程中同时运行的多个任务

举个例子，多线程下载软件，可以同时运行多个线程，但是通过程序运行的结果发现，每一次结果都不一致。 因为多线程存在一个特性：随机性。造成的原因：CPU在瞬间不断切换去处理各个线程而导致的，可以理解成多个线程在抢CPU资源。

多线程提高CPU使用率

多线程并不能提高运行速度，但可以提高运行效率，让CPU的使用率更高。但是如果多线程有安全问题或出现频繁的上下文切换时，运算速度可能反而更低。

二、线程池技术

线程池(thread pool)技术是指能够保证所创建的任一线程都处于繁忙状态，而不需要频繁地为了某一任务而创建和销毁线程，因为系统在创建和销毁线程时所耗费的cpu资源很大。如果任务很多，频率很高，为了单一一个任务而起线程而后销线程，那么这种情况效率相当低下的。线程池技术就是用于解决这样一种应用场景而应运而生的。

什么时候需要创建线程池呢？简单的说，如果一个应用需要频繁的创建和销毁线程，而任务执行的时间又非常短，这样线程创建和销毁的带来的开销就不容忽视，这时也是线程池该出场的机会了。如果线程创建T1和销毁时间T3相比任务执行时间T2可以忽略不计，则没有必要使用线程池了。反之如果T1+T3>T2，那就很有必要使用线程池。

线程池技术的工作原理：在起先就创建一定数量的线程以队列形式存在，并为其分配一个工作队列，当工作队列为空时，表示没有任务，此时所有线程挂起等待新的工作到来。当新的工作到来时，线程队列头开始执行这个任务，然后依次是第二、第三个线程执行新到来的任务，当其中某个线程处理完任务后，那么该线程立马开始接受任务分派，从而让所有线程都处于忙碌的状态，提高并行处理效率。

线程池技术是一种典型的生产者-消费者模型。因此，无论用哪种语言实现，只要遵循其原理本身就能够很好的工作了。那么实现线程池技术我们需要考虑到哪些技术性的问题？

C语言线程池技术的实现：

需要考虑的技术问题一，线程池应该包含哪些成员变量。

既然要开一定数量的线程，那么这个“一定数量(max_thread_num)”必定是线程池的一个成员。

如何表示一个线程池是否已经关闭？如果关闭那么必需要立马释放资源。所以“是否关闭(shutdown)”也是一个成员。

创建线程需要有id，必需要为每个线程准备一个id，所以需要一个id数组，其长度就是max_thread_num。

线程锁，用以保证对线程操作时的互斥性。所以需要一个锁,queue_lock。

条件变量(condition_variable)，这里使用条件变量主要是为了广播任务到来的消息给所有线程。当有处于空闲的线程，则由此线程

接受任务分派。所以需要一个条件变量queue_ready。

最为重要的就是任务本身，也就是工作。那么工作本身又需要哪几个成员变量？首先肯定是任务入口，routine函数；

其次是routine函数的参数args；再次任务是以队列存在着的，所以任务本身应该包含一个next。

需要考虑的技术问题二，线程池应该包含哪些api。

一、创建线程池，create_tpool

二、销毁线程池，destroy_tpool

三、分派任务，add_task_2_tpool

基于上述分析，我们可以先构造头文件。

tpool.h

#ifndef T_POOL
#define T_POOL
 
#include <pthread.h>
#include <ctype.h>
 
typedef struct tpool_work{
   void* (*work_routine)(void*); //function to be called
   void* args;                   //arguments 
   struct tool_work* next;
}tpool_work_t;
 
typedef struct tpool{
   size_t               shutdown;       //is tpool shutdown or not, 1 ---> yes; 0 ---> no
   size_t               maxnum_thread; // maximum of threads
   pthread_t            *thread_id;     // a array of threads
   tpool_work_t*        tpool_head;     // tpool_work queue
   pthread_cond_t       queue_ready;    // condition varaible
   pthread_mutex_t      queue_lock;     // queue lock
}tpool_t;
 
 
/***************************************************
*@brief:
*       create thread pool
*@args:   
*       max_thread_num ---> maximum of threads
*       pool           ---> address of thread pool
*@return value: 
*       0       ---> create thread pool successfully
*       othres  ---> create thread pool failed
***************************************************/
 
int create_tpool(tpool_t** pool,size_t max_thread_num);
 
/***************************************************
*@brief:
*       destroy thread pool
*@args:
*        pool  --->  address of pool
***************************************************/
void destroy_tpool(tpool_t* pool);
 
/**************************************************
*@brief:
*       add tasks to thread pool
*@args:
*       pool     ---> thread pool
*       routine  ---> entry function of each thread
*       args     ---> arguments
*@return value:
*       0        ---> add ok
*       others   ---> add failed        
**************************************************/
int add_task_2_tpool(tpool_t* pool,void* (*routine)(void*),void* args);
 
#endif//tpool.h

需要考虑的技术问题三，线程池的所有权应该交予谁。

这里我们需要考虑到，将线程池封装成一个so库是比较好的想法，那么，线程池的所有权就应该交予调用它的函数。所以我这里采取的就是这个方法。

tpool.c

#include "tpool.h"
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
 
 
static void* work_routine(void* args)
{
   tpool_t* pool = (tpool_t*)args;
   tpool_work_t* work = NULL;
 
   while(1){
        pthread_mutex_lock(&pool->queue_lock);
        while(!pool->tpool_head && !pool->shutdown){ // if there is no works and pool is not shutdown, it should be suspended for being awake
            pthread_cond_wait(&pool->queue_ready,&pool->queue_lock);
        }
 
        if(pool->shutdown){
           pthread_mutex_unlock(&pool->queue_lock);//pool shutdown,release the mutex and exit
           pthread_exit(NULL);
        }
 
        /* tweak a work*/
        work = pool->tpool_head;
        pool->tpool_head = (tpool_work_t*)pool->tpool_head->next;
        pthread_mutex_unlock(&pool->queue_lock);
 
        work->work_routine(work->args);
 
        free(work);
   }
return NULL;
}
 
int create_tpool(tpool_t** pool,size_t max_thread_num)
{
   (*pool) = (tpool_t*)malloc(sizeof(tpool_t));
   if(NULL == *pool){
        printf("in %s,malloc tpool_t failed!,errno = %d,explain:%s\n",__func__,errno,strerror(errno));
        exit(-1);
   }
   (*pool)->shutdown = 0;
   (*pool)->maxnum_thread = max_thread_num;
   (*pool)->thread_id = (pthread_t*)malloc(sizeof(pthread_t)*max_thread_num);
   if((*pool)->thread_id == NULL){
        printf("in %s,init thread id failed,errno = %d,explain:%s",__func__,errno,strerror(errno));
        exit(-1);
   }
   (*pool)->tpool_head = NULL;
   if(pthread_mutex_init(&((*pool)->queue_lock),NULL) != 0){
        printf("in %s,initial mutex failed,errno = %d,explain:%s",__func__,errno,strerror(errno));
        exit(-1);
   }
 
   if(pthread_cond_init(&((*pool)->queue_ready),NULL) != 0){
        printf("in %s,initial condition variable failed,errno = %d,explain:%s",__func__,errno,strerror(errno));
        exit(-1);
   }
 
   for(int i = 0; i < max_thread_num; i++){
        if(pthread_create(&((*pool)->thread_id[i]),NULL,work_routine,(void*)(*pool)) != 0){
           printf("pthread_create failed!\n");
           exit(-1);
        }
   }
return 0;
}
 
void destroy_tpool(tpool_t* pool)
{
   tpool_work_t* tmp_work;
 
   if(pool->shutdown){
        return;
   }
   pool->shutdown = 1;
 
   pthread_mutex_lock(&pool->queue_lock);
   pthread_cond_broadcast(&pool->queue_ready);
   pthread_mutex_unlock(&pool->queue_lock);
 
   for(int i = 0; i < pool->maxnum_thread; i++){
        pthread_join(pool->thread_id[i],NULL);
   }
   free(pool->thread_id);
   while(pool->tpool_head){
        tmp_work = pool->tpool_head;
        pool->tpool_head = (tpool_work_t*)pool->tpool_head->next;
        free(tmp_work);
   }
 
   pthread_mutex_destroy(&pool->queue_lock);
   pthread_cond_destroy(&pool->queue_ready);
   free(pool);
}
 
int add_task_2_tpool(tpool_t* pool,void* (*routine)(void*),void* args)
{
   tpool_work_t* work,*member;
 
   if(!routine){
        printf("rontine is null!\n");
        return -1;
   }
 
   work = (tpool_work_t*)malloc(sizeof(tpool_work_t));
   if(!work){
        printf("in %s,malloc work error!,errno = %d,explain:%s\n",__func__,errno,strerror(errno));
        return -1;
   }
 
   work->work_routine = routine;
   work->args = args;
   work->next = NULL;
 
   pthread_mutex_lock(&pool->queue_lock);
   member = pool->tpool_head;
   if(!member){
        pool->tpool_head = work;
   }
   else{
        while(member->next){
           member = (tpool_work_t*)member->next;
        }
        member->next = work;
   }
 
   //notify the pool that new task arrived!
   pthread_cond_signal(&pool->queue_ready);
   pthread_mutex_unlock(&pool->queue_lock);
return 0;
}

demo.c

#include "tpool.h"
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
 
void* fun(void* args)
{
   int thread = (int)args;
   printf("running the thread of %d\n",thread);
return NULL;
}
 
int main(int argc, char* args[])
{
   tpool_t* pool = NULL;
   if(0 != create_tpool(&pool,5)){
        printf("create_tpool failed!\n");
        return -1;
   }
 
   for(int i = 0; i < 1000; i++){
        add_task_2_tpool(pool,fun,(void*)i);
   }
   sleep(2);
   destroy_tpool(pool);
return 0;
}

Makefile

pool: tpool.c demo.c
        gcc tpool.c demo.c -o pool -lpthread -std=c99 
 
clean:
        rm ./pool

其他的一些C语言实现可以参考下面这些文章：

C语言实现线程池技术

C语言实现线程池

线程池原理及C语言实现线程池

C语言实现线程池功能

进程和线程的区别(超详细)