GaussDB（DWS）stream线程池设计（二）
一、数据结构设计
stream线程池采用无锁队列实现，其目的是为了高效管理线程的出/入池操作。定义结构体ThreadSlot保存线程池中每一个线程的信息，包含：线程状态、线程号、线程对应的database oid、线程执行所需的信息StreamProducer，StreamProducer是父线程向子线程传递的唯一结构、线程唤醒所需的锁和条件变量。如下所示：
| typedef struct { int status; uint32 idx; ThreadId tid; Oid dbOid; StreamProducer* streamObj; pthread_mutex_t m_mutex; pthread_cond_t m_cond; } ThreadSlot; |
定义结构体StreamThreadPool表征线程池，结构如下所示：
| class StreamThreadPool: public BaseObject { public: StreamThreadPool(); void Init(int num); // StreamThreadPool init int Call(StreamProducer* obj); // 获取idle线程 或 create 新线程 bool Wait(); // idle线程等待唤醒或者超时退出 ThreadSlot* GetLocalSlot(); // get streamThreadSlot void SetLocalSlot(int slotIdx); // set streamThreadSlot StreamPool* GetLocalPool(); // 获取streamDBPool 或 新建一个 ThreadSlot* PopSlot(); // 从idleRing/emptyRing获取一slot void PushToEmpty(ThreadSlot* slot); // 将slot直接放入emptyRing void PushToIdle(StreamPool* pool, ThreadSlot* slot); //将slot直接放入idleRing void LocalPushToIdle(); // 根据状态，将slot放入idleRing void LocalPushToEmpty(); // 根据状态，将slot放入emptyRing int CleanStreamPool(const char *dbName, cleanOption cleanMode); //根据db信息清线程 void CleanInAllStreamPool(int desNum); // 调整线程池中stream线程个数 int GetStreamNum(); // 获取线程池中stream线程个数 bool Release(); // 判断超时线程是否需要清理 bool TimeoutClean(); // 清理超时idle线程 private: int size; ThreadSlot* threadSlots; ArrayLockFreeQueue emptyRing; StreamPool* PoolListHead; } |
结构体中，size表示线程池中拟预留的ThreadSlot个数，ThreadSlot被保存在threadSlots数组中；无锁队列emptyRing用来保存未创建线程的ThreadSlot，对应地，idleRing用来保存空闲的已创建stream线程的ThreadSlot。
由于stream线程的初始化信息和database是强相关的，如果不保留database相关的信息，那么线程初始化的时间代价仍然较高，所以线程池中的线程复用时，需要满足database信息匹配，所以一个emptyRing和一个database相匹配，保存在链表PoolListHead中，链表元素StreamPool对应结构如下：
| typedef struct StreamPool { Oid dbOid; ArrayLockFreeQueue idleRing; struct StreamPool* next; } StreamPool; |
线程池中各结构间组织的直观图如下所示：
图一、基于无锁队列的线程池结构
上图中threadSlots可以放在idleRing(蓝色)、emptyRing(绿色)和运行空间(黄色)中，具体在下节介绍。
二、stream线程状态转移DFA设计
每一个记录线程信息的结构ThreadSlot中都保存了线程当前的状态status，记录线程状态的目的是为了保障线程执行过程的有序控制，也可以通过状态的互斥避免threadSlot不会被两个线程同时使用。
stream线程状态转移用确定性有限状态机（DFA，definite automata）表征，共包含4个状态：
STREAM_SLOT_EXIT、STREAM_SLOT_IDLE、STREAM_SLOT_HOLD和STREAM_SLOT_RUN状态。其物理含义如下：
- STREAM_SLOT_EXIT：线程退出状态，表示线程未被创建或线程已退出；
- STREAM_SLOT_IDLE：线程可复用状态，表示线程在idleRing中，可以被复用；
- STREAM_SLOT_HOLD：线程临时独占状态，表示线程在做进入下一个状态的准备工作；
- STREAM_SLOT_RUN：线程运行状态，表示线程正在执行任务。
状态间转移条件如下所示，图中粗箭头表示状态机主循环部分：
图二、stream线程状态转移
与状态对应的，是slot所处的位置，slot所处的位置有三处，分别是idleRing、emptyRing和运行空间，slot从无锁队列中拿出，运行时所处的位置，我们称之为运行空间。各状态所处的位置情况如下所示：
- STREAM_SLOT_EXIT：idleRing(idle线程超时)、emptyRing(初始化或者FATAL)；
- STREAM_SLOT_IDLE：idleRing
- STREAM_SLOT_HOLD：运行空间（从无锁队列中取出）、idleRing（idle线程超时或中断）；
- STREAM_SLOT_RUN：运行空间。
Slot的位置变化和状态转移的关系如下，图中粗箭头表示状态机主循环部分：
图三、stream线程状态转移和slot位置的转移关系
根据各状态所处的位置情况，从idleRing中取出的slot可能有三种状态：EXIT、IDLE、HOLD。当取出IDLE状态的slot，说明线程可复用；当取出EXIT状态的slot，说明线程已退出，此时需要将slot转存到emptyRing；当取出HOLD状态，说明线程正在被使用，此时需要放回idleRing。
EmptyRing中slot的状态只能是EXIT，运行空间中slot的状态要么是HOLD（刚取出还未运行），要么是RUN（正在运行），不再赘述。
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