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muduo源码阅读之Thread和ThreadPool
在muduo的one loop per thread + thread pool模型中，线程和线程池应该是其中最基础也是最重要的两个组件了。所以，本文深入代码，学习Thread和ThreadPool两个类的结构和实现。
Thread类
__thread关键字
学习Thread class之前，先了解一个关键字的用法：__thread。
__thread是GCC内置的线程局部存储设施。它的实现非常高效，比Pthread库中的pthread_key_t（muduo中ThreadLocal）快很多。__thread变量是表示每个线程有一份独立实体，各个线程的变量值互不干扰。__thread只能修饰POD类型，不能修饰class类型，因为无法自动调用构造函数和析构函数。
Thread类的封装用到了命名空间CurrentThread，这个空间中定义了和线程相关的一些独立属性。
namespace CurrentThread
{
__thread int t_cachedTid = 0;
__thread char t_tidString[32];
__thread int t_tidStringLength = 6;
__thread const char* t_threadName = "unknown";
}
其中，t_cachedTid表示线程的真实id，Pthread库中提供了pthread_self()获取当前线程的标识，类型为pthread_t。但是，pthread_t不一定是数值类型，也可能是一个结构体，这带来了一些问题。
（1）无法打印输出pthread_t，因为不知道其确切类型。
（2）无法比较pthread_t大小或计算hash值。
（3）pthread_t值只在进程内有意义，与操作系统的任务调度之间无法建立有效关系，Pthread库只能保证在同一进程之内，同一时刻的各个线程的id不同。
所以，muduo采用gettid()系统调用的返回值作为线程id，muduo中将操作封装为gettid()函数。但是，我们知道，调用系统调用开销比较大，所以，muduo中采用__thread变量t_cachedTid来存储，在线程第一次使用tid时通过系统调用获得，存储在t_cachedTid中，以后使用时不再需要系统调用了。
t_tidString[32]：用string类型表示tid，以便输出日志。
t_tidStringLength：string类型tid的长度。
t_threadName：线程的名字。
相关的数据结构
在Thread的实现中，还用到了两个数据结构，一个位ThreadData，用来辅助调用线程执行的函数。另一个为ThreadNameInitializer，为线程的创建做环境准备。其中用到了pthread_atfork(NULL,NULL,&afterfork)。该函数的原型为int pthread_atfork(void (*prepare)(void), void (*parent)(void), void (*child)(void));
这是一个跟进程创建有关的函数，为fork的调用做准备和调用后子进程父进程的初始化。prepare函数在调用fork前执行，parent在调用fork后的父进程中执行，child在调用fork后的子进程中执行。
当然，在实际应用中，多线程不要调用fork()，否则会出现一些问题。因为fork智能克隆当前线程的thread of control，却不克隆其他线程。fork()之后，除了当前线程之外，其他线程都消失了。这样，会出现很多问题。比如，如果复制了一个lock的mutex，却没有复制unlock的线程，那么在给mutex加锁时就会出现死锁。
Thread类分析
首先来看Thread类的数据成员和构造函数。
class Thread : boost::noncopyable
{
typedef boost::function<void ()> ThreadFunc;
...
private:
bool started_;
bool joined_;
pthread_t pthreadId_;
boost::shared_ptr<pid_t> tid_;
ThreadFunc func_;
string name_;
static AtomicInt32 numCreated_;
};
Thread::Thread(ThreadFunc&& func, const string& n)
: started_(false),
joined_(false),
pthreadId_(0),
tid_(new pid_t(0)),
func_(func),
name_(n)
{
setDefaultName();
}
其中有两处需要说明一下，首先是shared_ptr<pid> tid_，可能有人会有疑问：为什么这里要用shared_ptr包装pid？
原因是tid_所属的对象Thread在主线程（A）中创建，而tid_需要在新创建的线程B中进行赋值操作，如果tid使用裸指针的方式传递给线程（B），那么线程A中Thread对象析构（下文）销毁后，线程B持有的就是一个野指针，所以，在Thread对象中将以shared_ptr包装。
然后是numCreated_，是一个静态变量，类型为AtomicInt32，原子类型，用来表示第几次创建线程实例，在记录日志时可用记录为：“线程名+numCreated_”。
接下来看Thread的一些接口函数。
void Thread::start()
{
started = true;
detail::ThreadData* data = new detail::ThreadData(func_, name_, tid_);
if(pthread_create(&pthreadId_, NULL, &detail::startThread, data));
{
started_ = false;
delete data;
LOG_SYSFATAL << "Failed in pthread_create";
}
}
Thread::start()将调用pthread_create()创建新线程，detail::startThread()是新线程的入口函数，data是新线程执行的辅助结构体。detail::startThread()调用data->runInThread()执行线程逻辑(func_)。
int Thread::join()
{
assert(started_);
assert(!joined_);
joined_ = true;
return pthread_join(pthreadId_, NULL);
}
Thread::~Thread()
{
if(started_ && !joined_)
{
pthread_detach(pthreadId_);
}
}
Thread析构的时候没有销毁持有的Pthreads句柄(pthread_t)，也就是说Thread的析构不会等待线程结束。如果Thread对象的生命期长于线程，然后通过Thread::join()来等待线程结束并释放线程资源。如果Thread对象的生命期短于线程，那么析构时会自动detach线程，避免了资源泄露。
ThreadPool类
ThreadPool（线程池）本质上是一个生产者-消费者的模型，在实际中主要完成计算任务。在muduo线程池中有一个存放工作线程的容器ptr_vector，相当于消费者；有一个存放任务的队列deque。
任务队列是有界的，类似于BoundedBlockingQueue，实现时需要两个条件变量。
以下是ThreadPool的数据成员：
class ThreadPool : boost::noncopyable
{
typedef boost::function<void ()> Task;
private:
MutexLock mutex_;
Condition notEmpty_;
Condition notFull_;
string name_;
Task threadInitCallback_;
boost::ptr_vector<muduo::Thread> threads_;
std::deque<Task> queue_;
size_t maxQueueSize_;
bool running_;
}
其中threadInitCallback_可由setThreadInitCallback(const Task& cb)设置，设置回调函数，每次在执行任务前先调用。在线程池开始运行之前，需要先设置任务队列的大小（调用setMaxQueueSize()），因为运行线程池时，线程会从任务队列取任务。
接下来是ThreadPool的一些接口函数。
void ThreadPool::start(int numThreads)
{
assert(threads_.empty());
running_ = true;
threads_.reserve(numThreads);
for (int i = 0; i < numThreads; ++i)
{
char id[32];
snprintf(id, sizeof id, "%d", i+1);
threads_.push_back(new muduo::Thread(
boost::bind(&ThreadPool::runInThread, this), name_+id));
threads_[i].start();
}
if(numThreads == 0 && threadInitCallback_)
{
threadInitCallback_();
}
}
void ThreadPool::start(int numThreads)开启线程池，按照线程数量numThreads_创建工作线程，线程函数为ThreadPool::runInThread（）。
void ThreadPool::runInThread()
{
try
{
if(threadInitCallback_)
{
threadInitCallback_();
}
while(running_)
{
Task task(take());
if(task)
{
task();
}
}
}
catch(const Exception& ex)
{
...
}
}
如果设置了threadInitCallback_，则进行执行任务前的一些初始化操作。然后从任务队列中取任务执行，有可能阻塞，当任务队列为空时。
ThreadPool::Task ThreadPool::take()
{
MutexLockGuard lock(mutex_);
while(queue_.empty() && running_)
{
notEmpty_.wait();
}
Task task;
if(!queue_.empty())
{
task = queue_.front();
queue_.pop_front();
if(maxQueueSize_ > 0)
{
notFull_.notify();
}
}
return task;
}
多线程从消息队列中取任务的时候，需要加锁保护。等到队列非空信号，就取任务。取出之后，便告知任务队列已经非满，可以继续添加任务。
void ThreadPool::run(const Task& task)
{
if(threads_.empty())
{
task();
}
else
{
MutexLockGuard lock(mutex_);
while(isFull())
{
notFull_.wait();
}
assert(!isFull());
queue_.push_back(task);
notEmpty_.notfy();
}
}
如果ThreadPool没有子线程（set和start操作在run之前），就在主线程中执行该task，否则，将任务加入到队列，并通知线程从中取task，如果队列已满，便等待。
ThreadPool::~ThreadPool()
{
if(running_)
{
stop();
}
}
void ThreadPool::stop()
{
{
MutexLockGuard lock(mutex_);
running_ = false;
notEmpty_.notifyAll();
}
for_each(threads_.begin(),threads_.end(),boost::bind(&muduo::Thread::join, _1));
}
最后是ThreadPool的析构函数，在其中调用stop()，唤醒所有等待的线程，然后对线程池中的每一个线程执行join()。
总结
以上就是muduo中Thread和ThreadPool类的学习，有很多源码，有点啰嗦。但是，在muduo的one loop per thread + thread pool模型中，Thread和ThreadPool是很重要的组件，所以需要深入地掌握。