最新線程池介紹論文

時間：2021-06-11 19:55:07 論文我要投稿

2017最新有關線程池介紹論文

　　線程池是Mysql5.6的一個核心功能，對于服務器應用而言，無論是web應用服務還是DB服務，高并發請求始終是一個繞不開的話題。當有大量請求并發訪問時，一定伴隨著資源的不斷創建和釋放，導致資源利用率低，降低了服務質量。線程池是一種通用的技術，通過預先創建一定數量的線程，當有請求達到時，線程池分配一個線程提供服務，請求結束后，該線程又去服務其他請求。通過這種方式，避免了線程和內存對象的頻繁創建和釋放，降低了服務端的并發度，減少了上下文切換和資源的競爭，提高資源利用效率。所有服務的線程池本質都是位了提高資源利用效率，并且實現方式也大體相同。本文主要說明Mysql線程池的實現原理。

2017最新有關線程池介紹論文

　　在Mysql5.6出現以前，Mysql處理連接的方式是One-Connection-Per-Thread,即對于每一個數據庫連接，Mysql-Server都會創建一個獨立的線程服務，請求結束后，銷毀線程。再來一個連接請求，則再創建一個連接，結束后再進行銷毀。這種方式在高并發情況下，會導致線程的頻繁創建和釋放。當然，通過thread-cache，我們可以將線程緩存起來，以供下次使用，避免頻繁創建和釋放的問題，但是無法解決高連接數的問題。One-Connection-Per-Thread方式隨著連接數暴增，導致需要創建同樣多的服務線程，高并發線程意味著高的內存消耗，更多的上下文切換(cpu cache命中率降低)以及更多的資源競爭，導致服務出現抖動。相對于One-Thread-Per-Connection方式，一個線程對應一個連接，Thread-Pool實現方式中，線程處理的最小單位是statement(語句)，一個線程可以處理多個連接的請求。這樣，在保證充分利用硬件資源情況下(合理設置線程池大小)，可以避免瞬間連接數暴增導致的服務器抖動。

　　調度方式實現

　　Mysql-Server同時支持3種連接管理方式，包括No-Threads，One-Thread-Per-Connection和Pool-Threads。No-Threads表示處理連接使用主線程處理，不額外創建線程，這種方式主要用于調試；One-Thread-Per-Connection是線程池出現以前最常用的方式，為每一個連接創建一個線程服務；Pool-Threads則是本文所討論的線程池方式。Mysql-Server通過一組函數指針來同時支持3種連接管理方式，對于特定的方式，將函數指針設置成特定的回調函數，連接管理方式通過thread_handling參數控制，代碼如下：

　　if (thread_handling <= SCHEDULER_ONE_THREAD_PER_CONNECTION) one_thread_per_connection_scheduler(thread_scheduler, &max_connections, &connection_count);else if (thread_handling == SCHEDULER_NO_THREADS) one_thread_scheduler(thread_scheduler);else pool_of_threads_scheduler(thread_scheduler, &max_connections,&connection_count);

　　連接管理流程

　　通過poll監聽mysql端口的連接請求

　　收到連接后，調用accept接口，創建通信socket

　　初始化thd實例，vio對象等

　　根據thread_handling方式設置，初始化thd實例的scheduler函數指針

　　調用scheduler特定的add_connection函數新建連接

　　下面代碼展示了scheduler_functions模板和線程池對模板回調函數的實現，這個是多種連接管理的核心。

　　struct scheduler_functions { uint max_threads; uint *connection_count; ulong *max_connections; bool (*init)(void); bool (*init_new_connection_thread)(void); void (*add_connection)(THD *thd); void (*thd_wait_begin)(THD *thd, int wait_type); void (*thd_wait_end)(THD *thd); void (*post_kill_notification)(THD *thd); bool (*end_thread)(THD *thd, bool cache_thread); void (*end)(void);};static scheduler_functions tp_scheduler_functions= { 0, // max_threadsNULL,NULL, tp_init, // initNULL, // init_new_connection_threadtp_add_connection, // add_connectiontp_wait_begin, // thd_wait_begin tp_wait_end, // thd_wait_endtp_post_kill_notification, // post_kill_notification NULL, // end_threadtp_end // end };

　　線程池的相關參數

　　thread_handling:表示線程池模型。 thread_pool_size:表示線程池的group個數，一般設置為當前CPU核心數目。理想情況下，一個group一個活躍的工作線程，達到充分利用CPU的目的。 thread_pool_stall_limit:用于timer線程定期檢查group是否“停滯”，參數表示檢測的間隔。 thread_pool_idle_timeout:當一個worker空閑一段時間后會自動退出，保證線程池中的工作線程在滿足請求的情況下，保持比較低的水平。 thread_pool_oversubscribe:該參數用于控制CPU核心上“超頻”的線程數。這個參數設置值不含listen線程計數。 threadpool_high_prio_mode:表示優先隊列的模式。

　　線程池實現

　　上面描述了Mysql-Server如何管理連接，這節重點描述線程池的實現框架，以及關鍵接口。如圖1

　　每一個綠色的方框代表一個group，group數目由thread_pool_size參數決定。每個group包含一個優先隊列和普通隊列，包含一個listener線程和若干個工作線程，listener線程和worker線程可以動態轉換，worker線程數目由工作負載決定，同時受到thread_pool_oversubscribe設置影響。此外，整個線程池有一個timer線程監控group，防止group“停滯”。

　　關鍵接口

　　1. tp_add_connection[處理新連接]

　　1) 創建一個connection對象

　　2) 根據thread_id%group_count確定connection分配到哪個group

　　3) 將connection放進對應group的隊列

　　4) 如果當前活躍線程數為0，則創建一個工作線程

　　2. worker_main[工作線程]

　　1) 調用get_event獲取請求

　　2) 如果存在請求，則調用handle_event進行處理

　　3) 否則，表示隊列中已經沒有請求，退出結束。

　　3. get_event[獲取請求]

　　1) 獲取一個連接請求

　　2) 如果存在，則立即返回，結束

　　3) 若此時group內沒有listener，則線程轉換為listener線程，阻塞等待

　　4) 若存在listener，則將線程加入等待隊列頭部

　　5) 線程休眠指定的時間(thread_pool_idle_timeout)

　　6) 如果依然沒有被喚醒，是超時，則線程結束，結束退出

　　7) 否則，表示隊列里有連接請求到來，跳轉1

　　備注：獲取連接請求前，會判斷當前的活躍線程數是否超過了

　　thread_pool_oversubscribe+1，若超過了，則將線程進入休眠狀態。

　　4. handle_event[處理請求]

　　1) 判斷連接是否進行登錄驗證，若沒有，則進行登錄驗證

　　2) 關聯thd實例信息

　　3) 獲取網絡數據包，分析請求

　　4) 調用do_command函數循環處理請求

　　5) 獲取thd實例的套接字句柄，判斷句柄是否在epoll的監聽列表中

　　6) 若沒有，調用epoll_ctl進行關聯

　　7) 結束

　　5.listener[監聽線程]

　　1) 調用epoll_wait進行對group關聯的套接字監聽，阻塞等待

　　2) 若請求到來，從阻塞中恢復

　　3) 根據連接的優先級別，確定是放入普通隊列還是優先隊列

　　4) 判斷隊列中任務是否為空

　　5) 若隊列為空，則listener轉換為worker線程

　　6) 若group內沒有活躍線程，則喚醒一個線程

　　備注：這里epoll_wait監聽group內所有連接的套接字，然后將監聽到的連接

　　請求push到隊列，worker線程從隊列中獲取任務，然后執行。

　　6. timer_thread[監控線程]

　　1) 若沒有listener線程，并且最近沒有io_event事件

　　2) 則創建一個喚醒或創建一個工作線程

　　3) 若group最近一段時間沒有處理請求，并且隊列里面有請求，則

　　4) 表示group已經stall，則喚醒或創建線程

　　5）檢查是否有連接超時

　　備注：timer線程通過調用check_stall判斷group是否處于stall狀態，通過調用timeout_check檢查客戶端連接是否超時。

　　7.tp_wait_begin[進入等待狀態流程]

　　1) active_thread_count減1，waiting_thread_count加1

　　2）設置connection->waiting= true

　　3) 若活躍線程數為0，并且任務隊列不為空，或者沒有監聽線程，則

　　4) 喚醒或創建一個線程

　　8.tp_wait_end[結束等待狀態流程]

　　1) 設置connection的waiting狀態為false

　　2) active_thread_count加1，waiting_thread_count減1

　　備注：

　　1)waiting_threads這個list里面的線程是空閑線程，并非等待線程，所謂空閑線程是隨時可以處理任務的線程，而等待線程則是因為等待鎖，或等待io操作等無法處理任務的線程。

　　2)tp_wait_begin和tp_wait_end的主要作用是由于匯報狀態，即使更新active_thread_count和waiting_thread_count的信息。

　　9. tp_init/tp_end

　　分別調用thread_group_init和thread_group_close來初始化和銷毀線程池

　　線程池與連接池

　　連接池通常實現在Client端，是指應用(客戶端)創建預先創建一定的連接，利用這些連接服務于客戶端所有的DB請求。如果某一個時刻，空閑的連接數小于DB的請求數，則需要將請求排隊，等待空閑連接處理。通過連接池可以復用連接，避免連接的頻繁創建和釋放，從而減少請求的平均響應時間，并且在請求繁忙時，通過請求排隊，可以緩沖應用對DB的沖擊。線程池實現在server端，通過創建一定數量的線程服務DB請求，相對于one-conection-per-thread的一個線程服務一個連接的方式，線程池服務的最小單位是語句，即一個線程可以對應多個活躍的連接。通過線程池，可以將server端的服務線程數控制在一定的范圍，減少了系統資源的競爭和線程上下文切換帶來的消耗，同時也避免出現高連接數導致的高并發問題。連接池和線程池相輔相成，通過連接池可以減少連接的創建和釋放，提高請求的平均響應時間，并能很好地控制一個應用的DB連接數，但無法控制整個應用集群的連接數規模，從而導致高連接數，通過線程池則可以很好地應對高連接數，保證server端能提供穩定的服務。如圖2所示，每個web-server端維護了3個連接的連接池，對于連接池的每個連接實際不是獨占db-server的一個worker，而是可能與其他連接共享。這里假設db-server只有3個group，每個group只有一個worker，每個worker處理了2個連接的請求。

　　線程池優化

　　1.調度死鎖解決

　　引入線程池解決了多線程高并發的問題，但也帶來一個隱患。假設，A，B兩個事務被分配到不同的group中執行，A事務已經開始，并且持有鎖，但由于A所在的group比較繁忙，導致A執行一條語句后，不能立即獲得調度執行；而B事務依賴A事務釋放鎖資源，雖然B事務可以被調度起來，但由于無法獲得鎖資源，導致仍然需要等待，這就是所謂的調度死鎖。由于一個group會同時處理多個連接，但多個連接不是對等的。比如，有的連接是第一次發送請求；而有的連接對應的事務已經開啟，并且持有了部分鎖資源。為了減少鎖資源爭用，后者顯然應該比前者優先處理，以達到盡早釋放鎖資源的`目的。因此在group里面，可以添加一個優先級隊列，將已經持有鎖的連接，或者已經開啟的事務的連接發起的請求放入優先隊列，工作線程首先從優先隊列獲取任務執行。

　　2.大查詢處理

　　假設一種場景，某個group里面的連接都是大查詢，那么group里面的工作線程數很快就會達到thread_pool_oversubscribe參數設置值，對于后續的連接請求，則會響應不及時(沒有更多的連接來處理)，這時候group就發生了stall。通過前面分析知道，timer線程會定期檢查這種情況，并創建一個新的worker線程來處理請求。如果長查詢來源于業務請求，則此時所有group都面臨這種問題，此時主機可能會由于負載過大，導致hang住的情況。這種情況線程池本身無能為力，因為源頭可能是爛SQL并發，或者SQL沒有走對執行計劃導致，通過其他方法，比如SQL高低水位限流或者SQL過濾手段可以應急處理。但是，還有另外一種情況，就是dump任務。很多下游依賴于數據庫的原始數據，通常通過dump命令將數據拉到下游，而這種dump任務通常都是耗時比較長，所以也可以認為是大查詢。如果dump任務集中在一個group內，并導致其他正常業務請求無法立即響應，這個是不能容忍的，因為此時數據庫并沒有壓力，只是因為采用了線程池策略，才導致了請求響應不及時，為了解決這個問題，我們將group中處理dump任務的線程不計入thread_pool_oversubscribe累計值，避免上述問題。

　　one-connection-per-thread

　　根據scheduler_functions的模板，我們也可以列出one-connection-per-thread方式的幾個關鍵函數。

　　static scheduler_functions con_per_functions= { max_connection+1, // max_threads NULL, NULL, NULL, // init Init_new_connection_handler_thread, // init_new_connection_thread create_thread_to_handle_connection, // add_connection NULL, // thd_wait_begin NULL, // thd_wait_end NULL, // post_kill_notification one_thread_per_connection_end, // end_thread NULL // end };

　　1.init_new_connection_handler_thread

　　這個接口比較簡單，主要是調用pthread_detach，將線程設置為detach狀態，線程結束后自動釋放所有資源。

　　2.create_thread_to_handle_connection

　　這個接口是處理新連接的接口，對于線程池而言，會從thread_id%group_size對應的group中獲取一個線程來處理，而one-connection-per-thread方式則會判斷是否有thread_cache可以使用，如果沒有則新建線程來處理。具體邏輯如下：

　　(1).判斷緩存的線程數是否使用完(比較blocked_pthread_count 和wake_pthread大小)

　　(2).若還有緩存線程，將thd加入waiting_thd_list的隊列，喚醒一個等待COND_thread_cache的線程

　　(3).若沒有，創建一個新的線程處理,線程的入口函數是do_handle_one_connection

　　(4).調用add_global_thread加入thd數組。

　　3.do_handle_one_connection

　　這個接口被create_thread_to_handle_connection調用，處理請求的主要實現接口。

　　(1).循環調用do_command，從socket中讀取網絡包，并且解析執行；

　　(2). 當遠程客戶端發送關閉連接COMMAND(比如COM_QUIT，COM_SHUTDOWN)時，退出循環

　　(3).調用close_connection關閉連接(thd->disconnect());

　　(4).調用one_thread_per_connection_end函數,確認是否可以復用線程

　　(5).根據返回結果，確定退出工作線程還是繼續循環執行命令。

　　4.one_thread_per_connection_end

　　判斷是否可以復用線程(thread_cache)的主要函數,邏輯如下：

　　(1).調用remove_global_thread，移除線程對應的thd實例

　　(2).調用block_until_new_connection判斷是否可以重用thread

　　(3).判斷緩存的線程是否超過閥值，若沒有，則blocked_pthread_count++;

　　(4).阻塞等待條件變量COND_thread_cache

　　(5).被喚醒后，表示有新的thd需要重用線程，將thd從waiting_thd_list中移除，使用thd初始化線程的thd->thread_stack

　　(6).調用add_global_thread加入thd數組。

　　(7).如果可以重用，返回false，否則返回ture

　　線程池與epoll

　　在引入線程池之前，server層只有一個監聽線程，負責監聽mysql端口和本地unixsocket的請求，對于每個新的連接，都會分配一個獨立線程來處理，因此監聽線程的任務比較輕松，mysql通過poll或select方式來實現IO的多路復用。引入線程池后，除了server層的監聽線程，每個group都有一個監聽線程負責監聽group內的所有連接socket的連接請求，工作線程不負責監聽，只處理請求。對于overscribe為1000的線程池設置，每個監聽線程需要監聽1000個socket的請求，監聽線程采用epoll方式來實現監聽。

　　Select,poll,epoll都是IO多路復用機制，IO多路復用通過一種機制，可以監聽多個fd(描述符)，比如socket，一旦某個fd就緒(讀就緒或寫就緒)，能夠通知程序進行相應的讀寫操作。epoll相對于select和poll有了很大的改進，首先epoll通過epoll_ctl函數注冊，注冊時，將所有fd拷貝進內核，只拷貝一次不需要重復拷貝，而每次調用poll或select時，都需要將fd集合從用戶空間拷貝到內核空間(epoll通過epoll_wait進行等待)；其次，epoll為每個描述符指定了一個回調函數，當設備就緒時，喚醒等待者，通過回調函數將描述符加入到就緒鏈表，無需像select，poll方式采用輪詢方式；最后select默認只支持1024個fd，epoll則沒有限制，具體數字可以參考cat /proc/sys/fs/file-max的設置。epoll貫穿在線程池使用的過程中，下面我就epoll的創建，使用和銷毀生命周期來描述epoll在線程中是如何使用的。

　　線程池初始化，epoll通過epoll_create函數創建epoll文件描述符，實現函數是thread_group_init；

　　端口監聽線程監聽到請求后，創建socket，并創建THD和connection對象，放在對應的group隊列中；

　　工作線程獲取該connection對象時，若還未登錄，則進行登錄驗證

　　若socket還未注冊到epoll，則調用epoll_ctl進行注冊,注冊方式是EPOLL_CTL_ADD，并將connection對象放入epoll_event結構體中

　　若是老連接的請求，仍然需要調用epoll_ctl注冊，注冊方式是EPOLL_CTL_MOD

　　group內的監聽線程調用epoll_wait來監聽注冊的fd，epoll是一種同步IO方式，所以會進行等待

　　請求到來時，獲取epoll_event結構體中的connection，放入到group中的隊列

　　線程池銷毀時，調用thread_group_close將epoll關閉。

　　備注：

　　1.注冊在epoll的fd，若請求就緒，則將對應的event放入到events數組，并將該fd的事務類型清空，因此對于老的連接請求，依然需要調用epoll_ctl(pollfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev)來注冊。

　　線程池函數調用關系

　　(1)創建epoll

　　tp_init->thread_group_init->tp_set_threadpool_size->io_poll_create->epoll_create

　　(2)關閉epoll

　　tp_end->thread_group_close->thread_group_destroy->close(pollfd)

　　(3)關聯socket描述符

　　handle_event->start_io->io_poll_associate_fd->io_poll_start_read->epoll_ctl

　　(4)處理連接請求

　　handle_event->threadpool_process_request->do_command->dispatch_command->mysql_parse->mysql_execute_command

　　(5)工作線程空閑時

　　worker_main->get_event->pthread_cond_timedwait

　　等待thread_pool_idle_timeout后，退出。

　　(6)監聽epoll

　　worker_main->get_event->listener->io_poll_wait->epoll_wait

　　(7)端口監聽線程

　　main->mysqld_main->handle_connections_sockets->poll

　　one-connection-per-thread函數調用關系

　　(1) 工作線程等待請求

　　handle_one_connection->do_handle_one_connection->do_command->my_net_read->net_read_packet->net_read_packet_header->net_read_raw_loop->vio_read->vio_socket_io_wait->vio_io_wait->poll

　　備注：與線程池的工作線程有監聽線程幫助其監聽請求不同，one-connection-per-thread方式的工作線程在空閑時，會調用poll阻塞等待網絡包過來；

　　而線程池的工作線程只需要專心處理請求即可，所以使用也更充分。

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