2017最新有關(guān)線程池介紹論文
線程池是Mysql5.6的一個核心功能，對于服務(wù)器應(yīng)用而言，無論是web應(yīng)用服務(wù)還是DB服務(wù)，高并發(fā)請求始終是一個繞不開的話題。當(dāng)有大量請求并發(fā)訪問時，一定伴隨著資源的不斷創(chuàng)建和釋放，導(dǎo)致資源利用率低，降低了服務(wù)質(zhì)量。線程池是一種通用的技術(shù)，通過預(yù)先創(chuàng)建一定數(shù)量的線程，當(dāng)有請求達(dá)到時，線程池分配一個線程提供服務(wù)，請求結(jié)束后，該線程又去服務(wù)其他請求。 通過這種方式，避免了線程和內(nèi)存對象的頻繁創(chuàng)建和釋放，降低了服務(wù)端的并發(fā)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(wù)的線程池本質(zhì)都是位了提高資源利用效率，并且實現(xiàn)方式也大體相同。本文主要說明Mysql線程池的實現(xiàn)原理。
在Mysql5.6出現(xiàn)以前，Mysql處理連接的方式是One-Connection-Per-Thread,即對于每一個數(shù)據(jù)庫連接，Mysql-Server都會創(chuàng)建一個獨(dú)立的線程服務(wù)，請求結(jié)束后，銷毀線程。再來一個連接請求，則再創(chuàng)建一個連接，結(jié)束后再進(jìn)行銷毀。這種方式在高并發(fā)情況下，會導(dǎo)致線程的頻繁創(chuàng)建和釋放。當(dāng)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(chuàng)建和釋放的問題，但是無法解決高連接數(shù)的問題。One-Connection-Per-Thread方式隨著連接數(shù)暴增，導(dǎo)致需要創(chuàng)建同樣多的服務(wù)線程，高并發(fā)線程意味著高的內(nèi)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(dǎo)致服務(wù)出現(xiàn)抖動。相對于One-Thread-Per-Connection方式，一個線程對應(yīng)一個連接，Thread-Pool實現(xiàn)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(shè)置線程池大小)，可以避免瞬間連接數(shù)暴增導(dǎo)致的服務(wù)器抖動。
調(diào)度方式實現(xiàn)
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(chuàng)建線程，這種方式主要用于調(diào)試；One-Thread-Per-Connection是線程池出現(xiàn)以前最常用的方式，為每一個連接創(chuàng)建一個線程服務(wù)；Pool-Threads則是本文所討論的線程池方式。Mysql-Server通過一組函數(shù)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(shù)指針設(shè)置成特定的回調(diào)函數(shù)，連接管理方式通過thread_handling參數(shù)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(jiān)聽mysql端口的連接請求
收到連接后，調(diào)用accept接口，創(chuàng)建通信socket
初始化thd實例，vio對象等
根據(jù)thread_handling方式設(shè)置，初始化thd實例的scheduler函數(shù)指針
調(diào)用scheduler特定的add_connection函數(shù)新建連接
下面代碼展示了scheduler_functions模板和線程池對模板回調(diào)函數(shù)的實現(xiàn)，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(guān)參數(shù)
thread_handling:表示線程池模型。 thread_pool_size:表示線程池的group個數(shù)，一般設(shè)置為當(dāng)前CPU核心數(shù)目。理想情況下，一個group一個活躍的工作線程，達(dá)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(shù)表示檢測的間隔。 thread_pool_idle_timeout:當(dāng)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(shù)用于控制CPU核心上“超頻”的線程數(shù)。這個參數(shù)設(shè)置值不含listen線程計數(shù)。 threadpool_high_prio_mode:表示優(yōu)先隊列的模式。
線程池實現(xiàn)
上面描述了Mysql-Server如何管理連接，這節(jié)重點描述線程池的實現(xiàn)框架，以及關(guān)鍵接口。如圖1
每一個綠色的方框代表一個group，group數(shù)目由thread_pool_size參數(shù)決定。每個group包含一個優(yōu)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(tài)轉(zhuǎn)換，worker線程數(shù)目由工作負(fù)載決定，同時受到thread_pool_oversubscribe設(shè)置影響。此外，整個線程池有一個timer線程監(jiān)控group，防止group“停滯”。
關(guān)鍵接口
1. tp_add_connection[處理新連接]
1) 創(chuàng)建一個connection對象
2) 根據(jù)thread_id%group_count確定connection分配到哪個group
3) 將connection放進(jìn)對應(yīng)group的隊列
4) 如果當(dāng)前活躍線程數(shù)為0，則創(chuàng)建一個工作線程
2. worker_main[工作線程]
1) 調(diào)用get_event獲取請求
2) 如果存在請求，則調(diào)用handle_event進(jìn)行處理
3) 否則，表示隊列中已經(jīng)沒有請求，退出結(jié)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(jié)束
3) 若此時group內(nèi)沒有l(wèi)istener，則線程轉(zhuǎn)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(jié)束，結(jié)束退出
7) 否則，表示隊列里有連接請求到來，跳轉(zhuǎn)1
備注：獲取連接請求前，會判斷當(dāng)前的活躍線程數(shù)是否超過了
thread_pool_oversubscribe+1，若超過了，則將線程進(jìn)入休眠狀態(tài)。
4. handle_event[處理請求]
1) 判斷連接是否進(jìn)行登錄驗證，若沒有，則進(jìn)行登錄驗證
2) 關(guān)聯(lián)thd實例信息
3) 獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，分析請求
4) 調(diào)用do_command函數(shù)循環(huán)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(jiān)聽列表中
6) 若沒有，調(diào)用epoll_ctl進(jìn)行關(guān)聯(lián)
7) 結(jié)束
5.listener[監(jiān)聽線程]
1) 調(diào)用epoll_wait進(jìn)行對group關(guān)聯(lián)的套接字監(jiān)聽，阻塞等待
2) 若請求到來，從阻塞中恢復(fù)
3) 根據(jù)連接的優(yōu)先級別，確定是放入普通隊列還是優(yōu)先隊列
4) 判斷隊列中任務(wù)是否為空
5) 若隊列為空，則listener轉(zhuǎn)換為worker線程
6) 若group內(nèi)沒有活躍線程，則喚醒一個線程
備注：這里epoll_wait監(jiān)聽group內(nèi)所有連接的套接字，然后將監(jiān)聽到的連接
請求push到隊列，worker線程從隊列中獲取任務(wù)，然后執(zhí)行。
6. timer_thread[監(jiān)控線程]
1) 若沒有l(wèi)istener線程，并且最近沒有io_event事件
2) 則創(chuàng)建一個喚醒或創(chuàng)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(jīng)stall，則喚醒或創(chuàng)建線程
5）檢查是否有連接超時
備注：timer線程通過調(diào)用check_stall判斷group是否處于stall狀態(tài)，通過調(diào)用timeout_check檢查客戶端連接是否超時。
7.tp_wait_begin[進(jìn)入等待狀態(tài)流程]
1) active_thread_count減1，waiting_thread_count加1
2）設(shè)置connection->waiting= true
3) 若活躍線程數(shù)為0，并且任務(wù)隊列不為空，或者沒有監(jiān)聽線程，則
4) 喚醒或創(chuàng)建一個線程
8.tp_wait_end[結(jié)束等待狀態(tài)流程]
1) 設(shè)置connection的waiting狀態(tài)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(wù)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(wù)的線程。
2)tp_wait_begin和tp_wait_end的主要作用是由于匯報狀態(tài)，即使更新active_thread_count和waiting_thread_count的信息。
9. tp_init/tp_end
分別調(diào)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(xiàn)在Client端，是指應(yīng)用(客戶端)創(chuàng)建預(yù)先創(chuàng)建一定的連接，利用這些連接服務(wù)于客戶端所有的DB請求。如果某一個時刻，空閑的連接數(shù)小于DB的請求數(shù)，則需要將請求排隊，等待空閑連接處理。通過連接池可以復(fù)用連接，避免連接的頻繁創(chuàng)建和釋放，從而減少請求的平均響應(yīng)時間，并且在請求繁忙時，通過請求排隊，可以緩沖應(yīng)用對DB的沖擊。線程池實現(xiàn)在server端，通過創(chuàng)建一定數(shù)量的線程服務(wù)DB請求，相對于one-conection-per-thread的一個線程服務(wù)一個連接的方式，線程池服務(wù)的最小單位是語句，即一個線程可以對應(yīng)多個活躍的連接。通過線程池，可以將server端的服務(wù)線程數(shù)控制在一定的范圍，減少了系統(tǒng)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(xiàn)高連接數(shù)導(dǎo)致的高并發(fā)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(chuàng)建和釋放，提高請求的平均響應(yīng)時間，并能很好地控制一個應(yīng)用的DB連接數(shù)，但無法控制整個應(yīng)用集群的連接數(shù)規(guī)模，從而導(dǎo)致高連接數(shù)，通過線程池則可以很好地應(yīng)對高連接數(shù)，保證server端能提供穩(wěn)定的服務(wù)。如圖2所示，每個web-server端維護(hù)了3個連接的連接池，對于連接池的每個連接實際不是獨(dú)占db-server的一個worker，而是可能與其他連接共享。這里假設(shè)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(yōu)化
1.調(diào)度死鎖解決
引入線程池解決了多線程高并發(fā)的問題，但也帶來一個隱患。假設(shè)，A，B兩個事務(wù)被分配到不同的group中執(zhí)行，A事務(wù)已經(jīng)開始，并且持有鎖，但由于A所在的group比較繁忙，導(dǎo)致A執(zhí)行一條語句后，不能立即獲得調(diào)度執(zhí)行；而B事務(wù)依賴A事務(wù)釋放鎖資源，雖然B事務(wù)可以被調(diào)度起來，但由于無法獲得鎖資源，導(dǎo)致仍然需要等待，這就是所謂的調(diào)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(fā)送請求；而有的連接對應(yīng)的事務(wù)已經(jīng)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(yīng)該比前者優(yōu)先處理，以達(dá)到盡早釋放鎖資源的`目的。因此在group里面，可以添加一個優(yōu)先級隊列，將已經(jīng)持有鎖的連接，或者已經(jīng)開啟的事務(wù)的連接發(fā)起的請求放入優(yōu)先隊列，工作線程首先從優(yōu)先隊列獲取任務(wù)執(zhí)行。
2.大查詢處理
假設(shè)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(shù)很快就會達(dá)到thread_pool_oversubscribe參數(shù)設(shè)置值，對于后續(xù)的連接請求，則會響應(yīng)不及時(沒有更多的連接來處理)，這時候group就發(fā)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(chuàng)建一個新的worker線程來處理請求。如果長查詢來源于業(yè)務(wù)請求，則此時所有g(shù)roup都面臨這種問題，此時主機(jī)可能會由于負(fù)載過大，導(dǎo)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(fā)，或者SQL沒有走對執(zhí)行計劃導(dǎo)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(yīng)急處理。但是，還有另外一種情況，就是dump任務(wù)。很多下游依賴于數(shù)據(jù)庫的原始數(shù)據(jù)，通常通過dump命令將數(shù)據(jù)拉到下游，而這種dump任務(wù)通常都是耗時比較長，所以也可以認(rèn)為是大查詢。如果dump任務(wù)集中在一個group內(nèi)，并導(dǎo)致其他正常業(yè)務(wù)請求無法立即響應(yīng)，這個是不能容忍的，因為此時數(shù)據(jù)庫并沒有壓力，只是因為采用了線程池策略，才導(dǎo)致了請求響應(yīng)不及時，為了解決這個問題，我們將group中處理dump任務(wù)的線程不計入thread_pool_oversubscribe累計值，避免上述問題。
one-connection-per-thread
根據(jù)scheduler_functions的模板，我們也可以列出one-connection-per-thread方式的幾個關(guān)鍵函數(shù)。
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(diào)用pthread_detach，將線程設(shè)置為detach狀態(tài)，線程結(jié)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(yīng)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(shù)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(chuàng)建一個新的線程處理,線程的入口函數(shù)是do_handle_one_connection
(4).調(diào)用add_global_thread加入thd數(shù)組。
3.do_handle_one_connection
這個接口被create_thread_to_handle_connection調(diào)用，處理請求的主要實現(xiàn)接口。
(1).循環(huán)調(diào)用do_command，從socket中讀取網(wǎng)絡(luò)包，并且解析執(zhí)行；
(2). 當(dāng)遠(yuǎn)程客戶端發(fā)送關(guān)閉連接COMMAND(比如COM_QUIT，COM_SHUTDOWN)時，退出循環(huán)
(3).調(diào)用close_connection關(guān)閉連接(thd->disconnect());
(4).調(diào)用one_thread_per_connection_end函數(shù),確認(rèn)是否可以復(fù)用線程
(5).根據(jù)返回結(jié)果，確定退出工作線程還是繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行命令。
4.one_thread_per_connection_end
判斷是否可以復(fù)用線程(thread_cache)的主要函數(shù),邏輯如下：
(1).調(diào)用remove_global_thread，移除線程對應(yīng)的thd實例
(2).調(diào)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(diào)用add_global_thread加入thd數(shù)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(jiān)聽線程，負(fù)責(zé)監(jiān)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(dú)立線程來處理，因此監(jiān)聽線程的任務(wù)比較輕松，mysql通過poll或select方式來實現(xiàn)IO的多路復(fù)用。引入線程池后，除了server層的監(jiān)聽線程，每個group都有一個監(jiān)聽線程負(fù)責(zé)監(jiān)聽group內(nèi)的所有連接socket的連接請求，工作線程不負(fù)責(zé)監(jiān)聽，只處理請求。對于overscribe為1000的線程池設(shè)置，每個監(jiān)聽線程需要監(jiān)聽1000個socket的請求，監(jiān)聽線程采用epoll方式來實現(xiàn)監(jiān)聽。
Select,poll,epoll都是IO多路復(fù)用機(jī)制，IO多路復(fù)用通過一種機(jī)制，可以監(jiān)聽多個fd(描述符)，比如socket，一旦某個fd就緒(讀就緒或?qū)懢途w)，能夠通知程序進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作。epoll相對于select和poll有了很大的改進(jìn)，首先epoll通過epoll_ctl函數(shù)注冊，注冊時，將所有fd拷貝進(jìn)內(nèi)核，只拷貝一次不需要重復(fù)拷貝，而每次調(diào)用poll或select時，都需要將fd集合從用戶空間拷貝到內(nèi)核空間(epoll通過epoll_wait進(jìn)行等待)；其次，epoll為每個描述符指定了一個回調(diào)函數(shù)，當(dāng)設(shè)備就緒時，喚醒等待者，通過回調(diào)函數(shù)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(rèn)只支持1024個fd，epoll則沒有限制，具體數(shù)字可以參考cat /proc/sys/fs/file-max的設(shè)置。epoll貫穿在線程池使用的過程中，下面我就epoll的創(chuàng)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(shù)創(chuàng)建epoll文件描述符，實現(xiàn)函數(shù)是thread_group_init；
端口監(jiān)聽線程監(jiān)聽到請求后，創(chuàng)建socket，并創(chuàng)建THD和connection對象，放在對應(yīng)的group隊列中；
工作線程獲取該connection對象時，若還未登錄，則進(jìn)行登錄驗證
若socket還未注冊到epoll，則調(diào)用epoll_ctl進(jìn)行注冊,注冊方式是EPOLL_CTL_ADD，并將connection對象放入epoll_event結(jié)構(gòu)體中
若是老連接的請求，仍然需要調(diào)用epoll_ctl注冊，注冊方式是EPOLL_CTL_MOD
group內(nèi)的監(jiān)聽線程調(diào)用epoll_wait來監(jiān)聽注冊的fd，epoll是一種同步IO方式，所以會進(jìn)行等待
請求到來時，獲取epoll_event結(jié)構(gòu)體中的connection，放入到group中的隊列
線程池銷毀時，調(diào)用thread_group_close將epoll關(guān)閉。
備注：
1.注冊在epoll的fd，若請求就緒，則將對應(yīng)的event放入到events數(shù)組，并將該fd的事務(wù)類型清空，因此對于老的連接請求，依然需要調(diào)用epoll_ctl(pollfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev)來注冊。
線程池函數(shù)調(diào)用關(guān)系
(1)創(chuàng)建epoll
tp_init->thread_group_init->tp_set_threadpool_size->io_poll_create->epoll_create
(2)關(guān)閉epoll
tp_end->thread_group_close->thread_group_destroy->close(pollfd)
(3)關(guān)聯(lián)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(jiān)聽epoll
worker_main->get_event->listener->io_poll_wait->epoll_wait
(7)端口監(jiān)聽線程
main->mysqld_main->handle_connections_sockets->poll
one-connection-per-thread函數(shù)調(diào)用關(guān)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(jiān)聽線程幫助其監(jiān)聽請求不同，one-connection-per-thread方式的工作線程在空閑時，會調(diào)用poll阻塞等待網(wǎng)絡(luò)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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