在各種業務解決方案的設計過程中，服務器處理任務的效率往往決定了方案的成敗。多線程處理任務是提高服務器效率的主要手段，它提高了對服務器資源的利用，使得任務可以並發處理。但如果服務器處理的任務的特點是輕量級、頻率高，那麼線程的創建與銷毀會非常頻繁，而系統用於處理線程的創建與銷毀的開銷會占相當大的比重，反而降低了系統的效率。通過線程池技術，可以減少頻繁的線程的創建與銷毀對系統性能的影響。
線程池是預先創建線程的一種技術。線程池在還沒有任務到來之前，創建一定數量（N1）的線程，放入空閒隊列中。這些線程都是處於阻塞（Suspended）狀態，不消耗CPU，但占用較小的內存空間。當任務到來後，緩沖池選擇一個空閒線程，把任務傳入此線程中運行。當N1個線程都在處理任務後，緩沖池自動創建一定數量的新線程，用於處理更多的任務。當系統比較空閒時，大部分線程都一直處於暫停狀態，線程池自動銷毀一部分線程，回收系統資源。
通用線程緩沖池的設計，不僅要實現上述功能，還要考慮此設計的可移植性，減少重復開發。設計中需要考慮的重點是：
任務對象的通用性；
線程創建和銷毀策略；
任務的分配策略。
分析與設計
1、任務對象的通用性
不同的業務解決方案有各自獨特的任務處理方法，任務的劃分上也就千差萬別。為了使得在處理任務對象的時候達到一定程度的通用性，任務對象的設計上必須與實際任務的處理邏輯完全無關。從任務執行的角度看，任務不過是處理流程的一次或者多次執行的過程，可以這樣來定義任務接口：
class Task
{
public:
Task();
virtual ~Task();
virtual bool run() = 0;
};
Task類是所有任務類的基類，其中的純虛函數run()是任務流程的入口，工作線程在處理任務的時候就從此處開始執行任務的處理流程。設計一個新的任務時，只需要繼承Task接口，新的任務就可以放入線程池中執行。
任務的創建、執行和銷毀這樣來設計：
(1)任務在其需要的時候才創建。任務的創建通過new操作，動態創建具體的任務對象，然後傳入線程池，由線程池自動分配線程來執行此任務。
(2)任務是否執行完畢由其自身來決定。一個未知任務什麼時候執行完畢是不可能預測的，必須任務本身來決定。這個策略通過，Task::run()的返回值來實現。當工作線程執行一次任務時，如果返回值為true，表示任務執行完畢，就用delete操作銷毀此任務；如果返回值為false，表示任務需要執行的工作並未完成，繼續執行此任務。
這樣的策略，使得在設計新的任務處理流程的時候，不需要過多的關心任務的接口規范，只需要在新任務類的構造函數中初始化各種資源，在新任務類的析構函數中回收資源，在run()方法中實現主要的處理邏輯，那麼新的任務類即可在線程池中執行。
2、線程的創建與銷毀
線程緩沖池中的維持的線程數量應該按照任務處理的需求來定。
在緩沖池剛剛建立時，線程池中有一定數量(N1)的已創建好的線程，這樣可以使得新任務可以及時的得到執行。比如，某客戶端在向服務器發送登陸請求的時候，這樣一個請求使得服務器通常需要創建好幾個相互有關聯的任務。也就是說，客戶端與服務器端的一次交互，通常會產生一定數量的任務。根據一個服務器所處理的業務，估計出平均情況下，一次業務產生的任務數量N2。那麼N1應該是N2的整數倍，N1=N2×n1，減少由於線程不夠而再創建線程的概率，才能使得服務器在業務處理初期最為高效。
在線程緩沖池中的所有線程都處於繁忙狀態的時候，線程池就會創建新的線程，設創建N3個。由以上分析，為了減少由於線程不夠而再創建線程的概率，N3也應該是N2的整數倍，N3=N2×n2。
當服務器業務減少，出現大量線程閒置的情況，就應該銷毀一部分線程。很顯然，這裡應該使用超時策略，當某些線程在超過時間T仍然處於閒置狀態，就銷毀一部分空閒線程。設銷毀N4個空閒線程，為了減少由於線程不夠而再創建線程的概率，N4也應該是N2的整數倍，N4=N2×n3。當然，為了使得新任務及時得到處理，即使服務器一直處於空閒，也應該保留N1個線程。
3、任務分配策略
在業務處理中，會有各種各樣的任務對象，這些業務對象對系統資源的使用也不同。這些任務，無論其空間復雜度如何，從線程執行任務這一角度來看，應該關心的主要是時間復雜度。
線程緩沖池在接收到新任務的時候，首先要尋找空閒線程，傳入新任務，然後執行任務，最後還要刪除任務，置空閒線程的標志。尋找空閒線程、傳入任務、最後的清理工作，這些都是為了執行任務而產生的額外開銷，如果所執行的任務大多數都是輕量級任務，那麼額外開銷帶來的資源浪費就顯得很突出了。為了解決這個問題，可以給一個線程傳入N5個輕量級任務，這一個線程依次執行N5個輕量級任務，由於都是在很短時間內完成，並不影響任務響應的及時性。顯然，N5≥1。
實現
由於源代碼的篇幅關系，並不能把所有代碼一一列舉，這裡以偽代碼的形式給出線程緩沖池在線程的創建、銷毀、任務分配以及任務執行方面的流程。
(1) 線程池任務分配主循環(也是一個線程)
這裡除了任務分配算法外也包括了部分線程的創建與銷毀的算法。
for(;;) {
pThread = GetIdleThread();// 檢查空閒線程隊列
if( pThread != NULL ) {
if( CheckNewTask() ) {// 有新任務
TaskList tl;
GetTask( tl ); // 取得一定數量的任務
AddTaskToThread( pTask, tl );// 把任務傳入線程
continue; // 繼續循環
}
}
if( pThread == NULL && nThread < THREAD_MAX )// 沒有空閒線程了
CreateNewThread();// 創建新線程
continue;// 繼續循環
}
// 沒有要處理的任務或者已經到達線程數的上限，進入超時等待
if( WaitForTaskOrThreadTimeout() ) {
if( IncrIdleTime() > IDLE_MAX ) { // 系統空閒，計時
// 系統長時間處於空閒，銷毀一定數量的空閒線程
DecrIdleThread();
}
}
else
return 0;// 線程終止
}
(2) 工作線程的任務執行流程
for(;;) {
// 檢查任務隊列是否有任務要運行
if( !CheckTaskQueue() ) { // 隊列中沒有任務
pPool->OnTaskIdle( this ); // 通知線程池，此線程已經空閒
if( WaitForTask() )
continue;// 繼續循環
else
return 0;// 終止線程
} else { // 有任務需要運行
pTask = GetTask(); // 取得新任務
try {
while( !pTask->Run() ) {
// 此處循環體為空，不斷運行直到任務執行完畢
}
}
catch( … ) {
WriteLog( … ); // 執行任務時產生異常，記錄入日志
}
delete pTask; // 任務執行完畢,刪除此任務
}
}
在任務執行的核心部分，使用了try-catch控制塊進行異常捕獲。雖然異常會對程序速度有很略微的影響，但是因為要執行的任務是未知的，不能保證任務可以正常執行。因為一個任務的異常而導致服務器的服務程序崩潰，這是絕對不允許的。使用異常捕獲不僅可以保證服務器流程的順利執行，而且把異常信息存入日志文件，還可以跟蹤錯誤。
性能測試
為了檢驗此線程池的性能是否和預期相同，並且分析出線程池的不同參數配置對系統性能的影響，特編寫了測試程序對三組參數進行了測試，測試結果如圖1所示：
橫坐標是任務數量；縱坐標是消耗時間，以秒(s)為單位。
參數1：N2 = 1, N5 = 1; 參數2：N2 = 5, N5 = 1; 參數3：N2 = 5, N5 = 5
測試中，系統的總的線程數限制為500，任務都是5ms。這裡只針對N2和N5進行測試，N2是平均情況下系統每次向線程池中增加的任務數量，N5是每個線程一次執行任務數量。
在任務量比較小的情況下，三者的對系統性能的占用基本上相等。但是當任務量很巨大的時候，參數1比參數2效率要稍微高出一些，而參數3的執行效率幾乎是前兩者的一倍。
因為都是輕量級任務，所以N2的變化對系統效率的影響並不大，而N5的影響就很顯著。
結束語
通過測試可以看出，在服務器中使用線程池後，並不意味著系統性能就一定可以提升。不同系統的任務有著各自不同的特點，這就需要根據服務器任務的特點進一步調整緩沖池的一些關鍵參數，才能最大程度的提高系統效率。這些參數就是上面分析過程中的N1、N2、N3、N4、N5、n1、n2、n3。
