基于國(guó)產(chǎn)化環(huán)境的線程池模型研究與實(shí)現(xiàn)

◆王韓波 孫文俊 林 鵬

基于國(guó)產(chǎn)化環(huán)境的線程池模型研究與實(shí)現(xiàn)

◆王韓波1孫文俊1林 鵬2

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 江蘇 210007；2.92020部隊(duì) 山東 266000）

為滿足面向服務(wù)化和大數(shù)據(jù)的大型企業(yè)級(jí)信息系統(tǒng)的高并發(fā)、高吞吐、安全性需求，也為適應(yīng)新形勢(shì)下國(guó)防網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)逐步向國(guó)產(chǎn)化自主平臺(tái)遷移的行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，本文通過(guò)對(duì)常用線程池模型的比較研究，提出了固定無(wú)優(yōu)先級(jí)領(lǐng)導(dǎo)者/跟隨者線程池和動(dòng)態(tài)有優(yōu)先級(jí)半同步/半異步線程池模型，并提供基于銀河麒麟操作系統(tǒng)+飛騰CPU的國(guó)產(chǎn)自主環(huán)境的實(shí)現(xiàn)方案。

線程池模型；國(guó)產(chǎn)化環(huán)境；領(lǐng)導(dǎo)者/跟隨者；半同步/半異步

多線程技術(shù)主要分為兩種：在需要時(shí)進(jìn)行創(chuàng)建的經(jīng)典多線程處理方式和基于預(yù)創(chuàng)建的線程池處理方式[1]。經(jīng)典多線程是一種按需創(chuàng)建的機(jī)制，為每個(gè)請(qǐng)求創(chuàng)建獨(dú)立的線程進(jìn)行處理，邏輯簡(jiǎn)單且可靠性高，適用于并發(fā)量少且不密集的應(yīng)用場(chǎng)景。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)并發(fā)請(qǐng)求峰值時(shí)，大量資源的創(chuàng)建和銷毀開銷將嚴(yán)重影響系統(tǒng)響應(yīng)能力。因此在高并發(fā)服務(wù)端使用場(chǎng)景下，基于預(yù)創(chuàng)建的線程池解決方案更為常見。

為滿足面向服務(wù)化和大數(shù)據(jù)的大型企業(yè)級(jí)業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的高并發(fā)、高吞吐需求，也為適應(yīng)國(guó)防信息安全領(lǐng)域逐步向國(guó)產(chǎn)化軟硬件平臺(tái)遷移的行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，有必要基于國(guó)產(chǎn)化環(huán)境研究通用線程池技術(shù)，探索其國(guó)產(chǎn)化平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方案，為未來(lái)國(guó)產(chǎn)化環(huán)境下如何提高系統(tǒng)效率尋找一種切實(shí)有效的解決方法。

1 線程池模型

對(duì)線程池的研究主要從三個(gè)方面進(jìn)行：一是線程池的大小設(shè)定；二是線程池的優(yōu)先級(jí)設(shè)定；三是線程池的設(shè)計(jì)模式。線程池大小設(shè)定影響線程池對(duì)系統(tǒng)資源的需求，按照線程池內(nèi)線程數(shù)量能否增減，可將線程池劃分為固定線程池和動(dòng)態(tài)線程池[2]。線程池優(yōu)先級(jí)設(shè)定通常有兩種類型，一是線程池中所有線程的優(yōu)先級(jí)別相同，即無(wú)通道模式；另一種是線程池中的線程有一定的優(yōu)先級(jí)別，即有通道的模式，線程池中不同的優(yōu)先級(jí)別對(duì)應(yīng)著線程不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，同時(shí)也影響者線程池大小[2]。線程池的常見設(shè)計(jì)模式則主要包括：半同步/半異步（Half-Sync/Half-Async）和領(lǐng)導(dǎo)者/跟隨者（Leader/Follower）兩種。文獻(xiàn)[3]深入分析了并發(fā)用戶數(shù)、請(qǐng)求處理時(shí)間和線程池中線程數(shù)對(duì)Half-Sync/Half-Async和Leader/Follower這兩種線程池設(shè)計(jì)模式對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并在不同場(chǎng)景下對(duì)兩種設(shè)計(jì)模式的線程池性能表現(xiàn)做了比較。

通過(guò)分析常見大型業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)多線程并發(fā)需求的特點(diǎn)，文章選擇不同的線程池設(shè)計(jì)策略組合，提出以下兩種通用線程池模型：（1）固定無(wú)優(yōu)先級(jí)領(lǐng)導(dǎo)者/跟隨者線程池（本文簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)單LF線程池）；（2）動(dòng)態(tài)有優(yōu)先級(jí)半同步/半異步線程池（本文簡(jiǎn)稱動(dòng)態(tài)HH線程池）。

1.1 簡(jiǎn)單LF線程池模型

為了在簡(jiǎn)單多任務(wù)并發(fā)處理的場(chǎng)景下，更好地利用多線程的并發(fā)優(yōu)勢(shì)，降低程序的復(fù)雜度，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，提出簡(jiǎn)單LF線程池模型，如圖1所示。

簡(jiǎn)單LF線程池的簡(jiǎn)單主要指對(duì)線程池內(nèi)線程數(shù)量做固定設(shè)計(jì)，線程間不區(qū)分優(yōu)先級(jí)按照先到先執(zhí)行原則進(jìn)行調(diào)度作業(yè)。LF是指線程池采用領(lǐng)導(dǎo)者/跟隨者（Leader/Follower）的設(shè)計(jì)模式，由領(lǐng)導(dǎo)者（leader）線程負(fù)責(zé)線程池請(qǐng)求事件監(jiān)聽和消息分離，并從跟隨者（follower）中遴選新的領(lǐng)導(dǎo)者線程，然后自己以執(zhí)行線程（processor）的身份去處理相關(guān)事件，直到本次請(qǐng)求處理完畢后恢復(fù)為follower線程并等待重新被遴選為leader線程。其中l(wèi)eader線程的挑選方式，可根據(jù)實(shí)際情況決定，通常采用先進(jìn)先出、隨機(jī)指定等簡(jiǎn)單原則。

圖1 簡(jiǎn)單LF線程池模型

簡(jiǎn)單LF線程池模型設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成熟度高、運(yùn)行穩(wěn)定，但在大量負(fù)載動(dòng)態(tài)變化或線程任務(wù)存在不同實(shí)時(shí)性要求的情況下并不適用。由于空閑線程不會(huì)被銷毀，在用戶的并發(fā)需求較低時(shí)，線程池仍維持著為正常運(yùn)行設(shè)計(jì)的線程數(shù)，將會(huì)造成大量的系統(tǒng)資源浪費(fèi)；而當(dāng)用戶請(qǐng)求峰值出現(xiàn)時(shí)，線程池?zé)o法提供更多的工作線程，使得用戶請(qǐng)求大量積壓甚至超時(shí)失效，從而造成系統(tǒng)響應(yīng)能力的進(jìn)一步惡化。此外線程池中的線程優(yōu)先級(jí)全部相同，高負(fù)載環(huán)境下大量普通非實(shí)時(shí)任務(wù)會(huì)搶占過(guò)多的處理器資源，實(shí)時(shí)任務(wù)卻無(wú)法得到及時(shí)處理。

1.2 動(dòng)態(tài)HH線程池模型

簡(jiǎn)單LF線程池模型由于缺乏靈活性和優(yōu)先級(jí)考慮，難以滿足強(qiáng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜多任務(wù)調(diào)度的實(shí)際要求，如實(shí)時(shí)情報(bào)處理軟件和高并發(fā)服務(wù)網(wǎng)關(guān)等。為滿足高并發(fā)場(chǎng)景下的使用需求，在常規(guī)線程池的基礎(chǔ)上對(duì)線程池的線程數(shù)量、優(yōu)先級(jí)、調(diào)度機(jī)制等進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，提出動(dòng)態(tài)HH線程池模型，如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)HH線程池模型

動(dòng)態(tài)HH線程池模型的動(dòng)態(tài)性體現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）支持線程數(shù)量的動(dòng)態(tài)調(diào)整，通過(guò)初始化線程池為一個(gè)預(yù)先設(shè)定的固定大小，再根據(jù)實(shí)際需求動(dòng)態(tài)增減臨時(shí)線程的數(shù)量，提供動(dòng)態(tài)伸縮的線程池并發(fā)處理能力。（2）支持線程優(yōu)先級(jí)的動(dòng)態(tài)設(shè)定，通過(guò)等待處理的任務(wù)優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)指定處理線程的優(yōu)先級(jí)，支持實(shí)時(shí)任務(wù)獲得更多處理能力。

動(dòng)態(tài)HH線程池模型參考CORBA標(biāo)準(zhǔn)（簡(jiǎn)稱RT-CORBA），RT-CORBA提供了半同步/半異步（Half-Sync/Half-Async）線程池的設(shè)計(jì)模式。Half-Sync/Half-Async將同步模式與異步模式相結(jié)合，異步層完成數(shù)據(jù)的I/O操作，提高系統(tǒng)整體I/O效率，同步層進(jìn)行業(yè)務(wù)的請(qǐng)求處理，降低線程池復(fù)雜度，通過(guò)優(yōu)先級(jí)消息隊(duì)列來(lái)完成數(shù)據(jù)交互。

2 線程池實(shí)現(xiàn)

目前常見的國(guó)產(chǎn)化基礎(chǔ)軟件環(huán)境包括以中標(biāo)、銀河麒麟操作系統(tǒng)為代表的國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)，以武漢達(dá)夢(mèng)、人大金倉(cāng)為代表的國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，國(guó)產(chǎn)化基礎(chǔ)硬件環(huán)境包括基于龍芯、飛騰CPU解決方案的各類終端和服務(wù)器設(shè)備[4]。本文僅以“銀河麒麟操作系統(tǒng)+飛騰CPU”的國(guó)產(chǎn)化解決方案為例，討論簡(jiǎn)單LF線程池模型和動(dòng)態(tài)HH線程池模型的實(shí)現(xiàn)方案。但實(shí)際上以指揮信息系統(tǒng)為例，今后將會(huì)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，同時(shí)在Windows、Unix、銀河麒麟等多種操作系統(tǒng)上運(yùn)行。盡管各操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案會(huì)存在種種細(xì)節(jié)方面的不同（如：pthread和solaris thread，epoll、kqueue和iocp等），但是簡(jiǎn)單LF線程池模型和動(dòng)態(tài)HH線程池模型的運(yùn)作機(jī)理不會(huì)改變。

2.1 簡(jiǎn)單LF線程池實(shí)現(xiàn)

簡(jiǎn)單LF線程池使用Reactor設(shè)計(jì)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)事件的多路分離，很多高性能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用如Netty、Redis均在使用類似的IO方式。其中事件源和分離機(jī)制采用銀河麒麟操作系統(tǒng)中最常用的fd_set 和select 系統(tǒng)調(diào)用。簡(jiǎn)單LF線程池模型的實(shí)現(xiàn)類圖如圖3 所示。

簡(jiǎn)單LF線程池模型將請(qǐng)求的I/O處理部分封裝為統(tǒng)一的事件回調(diào)接口，任意時(shí)刻只有l(wèi)eader線程負(fù)責(zé)響應(yīng)I/O句柄事件，不再是一對(duì)一的經(jīng)典I/O響應(yīng)機(jī)制，其他follower線程將處于靜默等待狀態(tài)。線程間使用信號(hào)量作為同步機(jī)制，所有follower 線程阻塞在同一個(gè)LF選主信號(hào)量上等待，直到當(dāng)前l(fā)eader線程釋放出下一輪選主通知。

2.2 動(dòng)態(tài)HH線程池實(shí)現(xiàn)

動(dòng)態(tài)HH線程池的異步層負(fù)責(zé)I/O層事件監(jiān)聽，使用Reactor 模式實(shí)現(xiàn)異步層事件派分，在完成消息提取后放入到線程池消息隊(duì)列等待處理?？紤]到銀河麒麟操作系統(tǒng)是基于Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，選用更高效的epoll系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)高效的事件通知機(jī)制，使用fd_set 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)標(biāo)識(shí)事件源。線程池的同步層和消息隊(duì)列使用主動(dòng)對(duì)象（Active-Object）設(shè)計(jì)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)，主動(dòng)對(duì)象模式抽象并發(fā)任務(wù)為邏輯請(qǐng)求對(duì)象，通過(guò)異步編程的方法調(diào)用（Method Invocation）和方法執(zhí)行（Method Execution）的分離設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)HH線程池請(qǐng)求提取和請(qǐng)求處理在不同的線程中執(zhí)行，最終完成同步層和異步層的分離。動(dòng)態(tài)HH線程池的實(shí)現(xiàn)類圖如圖4所示。

常見的動(dòng)態(tài)線程池大小調(diào)整方案有兩種：一是閾值觸發(fā)式調(diào)整，二是公式預(yù)測(cè)式調(diào)整。閾值觸發(fā)式指按照預(yù)先設(shè)定的線程池參數(shù)來(lái)控制線程池的擴(kuò)展和收縮行為，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)且維護(hù)性開銷小，但線程池參數(shù)需要精確地校正，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降；公式預(yù)測(cè)式指通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)線程池的最優(yōu)大小，往往更能反映業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行中資源消耗的真實(shí)情況，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理快速調(diào)整線程池規(guī)模，但通用性較差，需要較大的資源狀態(tài)采集、統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)動(dòng)作的開銷。

圖3 簡(jiǎn)單LF線程池實(shí)現(xiàn)類圖

圖4 動(dòng)態(tài)HH線程池實(shí)現(xiàn)類圖

為保證動(dòng)態(tài)HH線程池在不同使用場(chǎng)景下的適用性，文中采用了第一種調(diào)整方案，并支持閾值參數(shù)的可調(diào)整。假設(shè)線程池最大線程數(shù)量為T_MAX，最小為T_MIN，單次可調(diào)整線程數(shù)為T_NUM，最小空閑數(shù)量為T_IMIN，最大為T_IMAX。動(dòng)態(tài)HH線程池的線程池大小動(dòng)態(tài)調(diào)整策略如下：

（1）首先建立線程池，創(chuàng)建T_MIN個(gè)初始線程；

（2）當(dāng)線程池中空閑線程數(shù)低于T_IMIN時(shí)，觸發(fā)線程池動(dòng)態(tài)擴(kuò)張機(jī)制，創(chuàng)建并添加T_NUM個(gè)空閑線程；

（3）當(dāng)線程池中空閑線程數(shù)高于T_IMAX時(shí)，觸發(fā)線程池動(dòng)態(tài)收縮機(jī)制，回收并刪除T_NUM個(gè)空閑線程；

（4）線程池動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程中，保證線程池中線程數(shù)量不超過(guò)T_MAX也不低于T_MIN；

（5）若線程池已達(dá)最大限制且無(wú)空閑線程可用時(shí)，任務(wù)請(qǐng)求將被存入緩沖隊(duì)列，等待空閑線程出現(xiàn)并處理。

以上參數(shù)的合理設(shè)置可以保證任意時(shí)刻系統(tǒng)均具有一定的并發(fā)請(qǐng)求響應(yīng)能力，緩沖區(qū)的存在也在一定程度上降低了動(dòng)態(tài)調(diào)整或瞬間峰值過(guò)程中任務(wù)丟失的可能性。

3 結(jié)束語(yǔ)

為滿足面向服務(wù)化和大數(shù)據(jù)的大型企業(yè)級(jí)信息系統(tǒng)的高并發(fā)、高吞吐需求，以及國(guó)產(chǎn)化發(fā)展趨勢(shì)，本文提出一組適用于常見的業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)需求的線程池模型，并提供了基于銀河麒麟操作系統(tǒng)+飛騰CPU國(guó)產(chǎn)化自主環(huán)境的實(shí)現(xiàn)方案。通過(guò)實(shí)際的項(xiàng)目試用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單LF線程池和動(dòng)態(tài)HH線程池能夠很好解決常見的信息系統(tǒng)并發(fā)需求。后續(xù)在此研究基礎(chǔ)上封裝跨平臺(tái)的多線程開發(fā)基礎(chǔ)支撐庫(kù)，以達(dá)到減少開發(fā)人員日后遷移工作量、提高代碼復(fù)用率、提升程序魯棒性和降低軟件維護(hù)成本的目的。

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