租空间做网站需要多少钱,wordpress建手机版目录,上海房产网二手房出售,程序员自己做项目网站一、实现高并发的几种策略
C语言本身并没有内建的多线程支持#xff08;新版C语言支持#xff0c;但用得不多#xff09;#xff0c;但是在多数操作系统中#xff0c;可以使用库来实现多线程编程。例如#xff0c;在POSIX兼容系统上#xff0c;可以使用 pthreads 库来创…一、实现高并发的几种策略
C语言本身并没有内建的多线程支持新版C语言支持但用得不多但是在多数操作系统中可以使用库来实现多线程编程。例如在POSIX兼容系统上可以使用 pthreads 库来创建和管理线程。然而传统的多线程存在着资源限制比如每个线程都需要独立的堆栈空间上下文切换开销大线程数量多时还会导致竞争情况加剧。 为了兼顾高并发和高性能可以采取以下几种策略 1. 线程池(Thread Pools)创建一个线程池来管理一定数量的线程避免了频繁创建和销毁线程的开销可以复用线程处理多个任务。 2. 事件驱动(Event-Driven) 使用事件驱动如使用select/poll/epoll/kqueue等的非阻塞IO模型可以减少线程数目和上下文切换的开销同时能够处理大量并发连接。
3. 异步IO(Asynchronous I/O) 利用操作系统级别的异步IO接口比如posix的aio系列函数这样IO操作不会阻塞线程。 4. 协程(Coroutines)协程是一种用户态的轻量级线程协程库如libco、libtask可以在用户空间进行上下文切换拥有极低的切换成本并能够在单线程内实现高并发。 5. 使用其他并发模型比如Go语言中的GoroutinesErlang语言中的Actor模型它们都是设计上为并发而生能够实现高性能的并发处理。 6. 硬件加速在某些应用场景中使用专用硬件或者利用GPU并行计算能力也能大幅提高并发处理性能。 每种方法有各自的优缺点和适用的场景实际选择时需要根据应用需求、系统特性和资源限制综合考虑。在需要处理大规模并发连接时通常会使用事件驱动和异步IO结合的方式来实现高效的并发处理。
二、异步IOAsynchronous I/O和同步IOSynchronous I/O 异步IOAsynchronous I/O是一种让程序启动一个IO操作以后不必等待其完成就能继续执行其他任务的技术。同步IOSynchronous I/O在执行IO操作时会阻塞当前线程直到IO操作完成。
下面举例来说明两者之间的区别
同步IO
在同步IO模型中应用程序执行一个IO操作如从文件读取数据或写入数据到文件然后等待操作的完成。在这个过程中应用程序被阻塞不能执行其他任何操作。只有当IO请求完成并且数据被复制到应用程序的缓冲区之后应用程序才可以继续执行。
例如这是一个简化的同步IO读操作的代码示例
FILE* file fopen(example.txt, r);
if (file) {char buffer[1024];size_t bytes_read fread(buffer, sizeof(char), sizeof(buffer), file);if (bytes_read 0) {// 处理读取到的数据}fclose(file);
}
在这个例子中fread 函数将会阻塞直到指定数量的字节被读取到 buffer 中或遇到文件结尾。
异步IO
在异步IO模型中应用程序发出IO操作请求并直接返回可以继续执行其他操作。当IO操作实际完成后应用程序会以某种方式被通知例如通过回调函数、IO完成队列或者信号等这样应用程序可以处理IO操作的结果。
例如这是一种异步读操作的伪代码示例
void io_completion_callback(IOOperation *op) {// 处理异步操作完成的数据
}void initiate_async_read(const char* file_path) {// 设置异步读取操作指定完成后的回调函数IOOperation *op setup_async_read(file_path, io_completion_callback);// 发起异步读取操作立即返回start_async_io(op);
}// 应用程序继续执行而IO操作在后台进行
在使用异步IO时应用程序不需要在IO上阻塞等待能够更好地利用CPU和IO设备的性能特别是在需要大量IO操作和高并发处理的程序中。
在UNIX/Linux系统中支持异步IO的API包括aio_read、aio_write以及IO复用的系统调用如select、poll和epoll。这些API提供了不同的异步处理机制使得应用程序可以在不阻塞的情况下监控多个IO操作的状态。
三、简单的线程池
线程池的基本思路是预先创建一定数量的线程并将它们放入等待队列中。每当有新的任务来临时线程池会选择一个空闲线程去执行任务执行完成后线程再次回到等待队列中。线程池通常有以下几个关键的组成部分 - 任务队列task queue - 锁和条件变量 用于同步 - 工作线程集合 - 管理线程池的API创建、销毁线程池加入任务等
为了实现一个简单的线程池我们需要一个工作队列来存放待处理的任务以及一组工作线程来执行这些任务。下面是一个简易的线程池实现的示例这个实现将会提供thread_pool_init、thread_pool_enqueue和thread_pool_destroy这三个函数。
这里的代码只是一个例子不考虑所有边界条件和潜在的同步问题。在实际应用中需要考虑线程同步机制、错误处理以及资源的正确释放等问题。
#include pthread.h
#include stdio.h
#include stdlib.h
#include unistd.h
#include stdbool.h
#include sys/queue.h// 定义任务结构体
typedef struct task {void (*function)(void *arg);void *arg;TAILQ_ENTRY(task) entries; // 使用TAILQ宏定义队列元素
} task_t;// 定义任务队列
typedef TAILQ_HEAD(taskhead, task) taskhead_t;// 定义线程池结构体
typedef struct thread_pool {pthread_t *threads;int thread_count;taskhead_t task_queue;pthread_mutex_t lock;pthread_cond_t cond;bool stop;
} thread_pool_t;// 线程池全局变量
thread_pool_t pool;// 线程池工作线程
void *thread_pool_worker(void *arg) {while (1) {pthread_mutex_lock(pool.lock);// 等待直到有任务到来或者销毁线程池while (TAILQ_EMPTY(pool.task_queue) !pool.stop) {pthread_cond_wait(pool.cond, pool.lock);}if (pool.stop) {break;}task_t *task TAILQ_FIRST(pool.task_queue);TAILQ_REMOVE(pool.task_queue, task, entries);pthread_mutex_unlock(pool.lock);// 执行任务task-function(task-arg);free(task);pthread_mutex_lock(pool.lock);}pthread_mutex_unlock(pool.lock);return NULL;
}// 初始化线程池
void thread_pool_init(int num_threads) {pool.threads malloc(sizeof(pthread_t) * num_threads);pool.thread_count num_threads;TAILQ_INIT(pool.task_queue);pthread_mutex_init(pool.lock, NULL);pthread_cond_init(pool.cond, NULL);pool.stop false;for (int i 0; i num_threads; i) {pthread_create(pool.threads[i], NULL, thread_pool_worker, NULL);}
}// 添加任务到线程池队列
void thread_pool_enqueue(void (*function)(void*), void *arg) {task_t *task malloc(sizeof(*task));task-function function;task-arg arg;pthread_mutex_lock(pool.lock);TAILQ_INSERT_TAIL(pool.task_queue, task, entries);pthread_cond_signal(pool.cond);pthread_mutex_unlock(pool.lock);
}// 销毁线程池
void thread_pool_destroy() {// 停止所有线程池工作线程pool.stop true;pthread_cond_broadcast(pool.cond);// 等待所有线程完成for (int i 0; i pool.thread_count; i) {pthread_join(pool.threads[i], NULL);}// 清理资源pthread_mutex_destroy(pool.lock);pthread_cond_destroy(pool.cond);while (!TAILQ_EMPTY(pool.task_queue)) {task_t *task TAILQ_FIRST(pool.task_queue);TAILQ_REMOVE(pool.task_queue, task, entries);free(task);}free(pool.threads);
}
四、线程池和异步IO结合来实现
要在C语言中实现线程池和异步IO结合来实现高并发和高性能可以通过以下几个步骤来操作
1. 创建线程池
首先需要先创建一个线程池这通常涉及到预先分配一定数量的线程并且维护一个任务队列。
每个线程将从任务队列中取出任务来执行。通常还需要同步机制如条件变量和互斥锁来保护任务队列以防止多个线程同时对队列进行操作。
2. 使用异步IO
然后应用程序主线程利用异步IO机制如Linux下的epollWindows下的IOCP来监视IO事件当IO事件就绪时不进行实际的读写操作而是将这个任务放入线程池的任务队列。
异步IO事件可以通知程序某个IO操作如网络数据的读或写可以开始并不会实际阻塞线程。
3. 任务处理
当异步IO事件通知程序数据准备好了后任务会被提交到线程池的任务队列中。
工作线程从队列中取出任务执行实际的IO处理如读取数据、进行业务处理和准备响应数据。
4. 完成异步任务
处理完成后工作线程可以继续使用异步IO机制来进行响应的发送或者将完成的数据返回给主线程由主线程统一发送。
5. 一个简化的例子
如下以Linux平台为例使用epoll和线程池
#include sys/epoll.h
#include pthread.h
#include stdio.h
#include unistd.h// 假设这里已经实现了一个线程池和线程池相关的函数
// 初始化线程池
void thread_pool_init(int num_threads);
// 将任务添加到线程池队列
void thread_pool_enqueue(void (*task_function)(void*), void* task_data);
// 销毁线程池
void thread_pool_destroy();// 异步IO任务执行函数
void async_io_task(void* data) {int fd *(int*)data;char buffer[1024];// 实际的IO操作读取数据ssize_t bytes_read read(fd, buffer, sizeof(buffer));// 进行业务处理假设处理完毕准备响应// 发送响应假设直接回写数据write(fd, buffer, bytes_read);// 关闭文件描述符close(fd);
}int main() {// 初始化epollint epoll_fd epoll_create1(0);struct epoll_event event, events[10]; // 假设我们监视最多10个事件// 初始化线程池thread_pool_init(4);// 添加监听的文件描述符到epollevent.events EPOLLIN; // 监听读事件event.data.fd /* 监听的文件描述符 */;epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, event.data.fd, event);// 事件循环while (1) {// 等待事件发生无需阻塞IOint n epoll_wait(epoll_fd, events, 10, -1);for (int i 0; i n; i) {if (events[i].events EPOLLIN) {// 异步IO准备就绪将任务提交到线程池thread_pool_enqueue(async_io_task, (events[i].data.fd));}}}// 销毁线程池和关闭epoll文件描述符thread_pool_destroy();close(epoll_fd);return 0;
}
上述代码是一个高度简化的框架真实的环境需要处理更多的细节比如错误处理、动态资源管理、线程池和任务队列的具体实现等。此代码仅用于演示大体的结构和思路。
这种结合了线程池和异步IO的模型能够很好地平衡系统资源同时支持大量客户端并发连接和IO操作适用于例如高性能的网络服务器。
五、epoll处理网络连接的例子 在Linux平台epoll是一个高效的事件通知机制经常用于处理大量并发的网络连接。与其前辈select和poll相比epoll过一种称作“事件通知机制”的方式来减少无谓的轮询并能够伸缩到数以万计的文件描述符。
以下是一个简化的例子展示了如何组合epoll和线程池来处理大量的并发网络连接
首先创建一个监听socket并且使用epoll_create来创建一个epoll实例
int listen_fd socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 设置为非阻塞模式
int flags fcntl(listen_fd, F_GETFL, 0);
fcntl(listen_fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);// 绑定和监听
struct sockaddr_in addr;
memset(addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr INADDR_ANY;
addr.sin_port htons(port);
bind(listen_fd, (struct sockaddr *)addr, sizeof(addr));
listen(listen_fd, SOMAXCONN);// 创建epoll实例
int epoll_fd epoll_create1(0);
然后在listen_fd上注册EPOLLIN事件
struct epoll_event ev;
ev.events EPOLLIN;
ev.data.fd listen_fd;
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, ev);
接下来是工作循环。在这个循环中我们会调用epoll_wait来等待事件的发生。对于每个就绪的socket根据socket的类型监听socket或者连接socket进行不同的处理
#define MAX_EVENTS 1024
struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
while(1) {int nfds epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);for(int i 0; i nfds; i) {if(events[i].data.fd listen_fd) {// 处理新的连接struct sockaddr_in client_addr;socklen_t client_addr_len sizeof(client_addr);int client_fd accept(listen_fd, (struct sockaddr *)client_addr, client_addr_len);// 设置为非阻塞模式int flags fcntl(client_fd, F_GETFL, 0);fcntl(client_fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);// 注册新的连接到epollstruct epoll_event client_ev;client_ev.events EPOLLIN | EPOLLET; // ET模式client_ev.data.fd client_fd;epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, client_ev);} else {// 交给线程池处理即将读取的数据// 此处为了简化示例我们假设使用了某个线程池enqueue的方法加入任务// 实际上应该使用像libuv之类的库或自定义线程池来处理任务thread_pool.enqueue([events, i]() {// 读取数据char buffer[1024];int n read(events[i].data.fd, buffer, sizeof(buffer));// 处理数据// ...// 响应客户端// ...});}}
}
上面的代码结合了epoll和线程池通过事件驱动提供了一个非阻塞的网络服务模型。当有新的连接到来时accept会生成新的socket文件描述符并将其加入到epoll实例进行监控。准备好读取数据的文件描述符将会被epoll_wait返回然后这些就绪的描述符的数据处理任务被分配到线程池中去执行。
在实际的应用环境中还需要处理各种网络编程中的细节问题错误处理、客户端关闭连接的情况、资源回收、安全性考虑等并且需要维护高效的线程池实现。
代码中的线程池并未具体实现需要根据实际需要选择或实现一个线程池。此外实际编码中还需要考虑重入性、异常安全性、内存泄漏问题等。
