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基础版
思路
辅助函数
服务端
代码
运行情况 -- telnet ip 端口号
传输的数据为什么没有转换格式
客户端
思路
代码
多进程版
引入
问题
解决
注意点
服务端
代码
运行情况
进程池版(简单介绍)
多线程版
引入
问题解决
注意点
服务端
代码
…目录
基础版
思路
辅助函数
服务端
代码
运行情况 -- telnet ip 端口号
传输的数据为什么没有转换格式
客户端
思路
代码
多进程版
引入
问题
解决
注意点
服务端
代码
运行情况
进程池版(简单介绍)
多线程版
引入
问题解决
注意点
服务端
代码
运行情况
线程池版
引入
过程介绍
服务端
代码
task.hpp
thread_pool.hpp
helper.hpp
运行情况 基础版 思路 和udp不同的是,tcp是面向字节流,面向连接的协议 所以要注意socket建立时的传入的数据类型 -- AF_STREAM 它需要客户端主动先和服务端建立连接,而不是直接发送数据 那么,客户端就需要调用connect函数相应的,服务端需要一直处于监听(等待连接到来)的状态 -- listen函数,也需要一个接收连接的函数 -- accept(服务端会卡在accept中,直到有连接请求到来) tcp协议当然也需要创建套接字并与自己的地址信息绑定 -- socket()bind() 但是,tcp里会有两个不同的套接字文件,这两个的用处不一样 在tcp协议中,服务端里被socket创建,被bind绑定,被accept使用的套接字a,只是用来获取连接的之后的io操作,由accept创建的新套接字b完成(也就是accept返回的fd) 就像在饭店,有人负责拉客(门口站着的那种),这就是a的工作,所以可以命名为listen_socket(用于和b区分,a一般只有一个,当然也可以有多个) 有人负责提供服务(服务员),这就是b的工作(可以有多个) 注意,每来一个新连接,就会有一个新的fd被返回 即使连接获取失败,也不能说明什么,也许是对方切断了连接它不像socket那样,获取失败就说明哪里有问题;连接失败是可以被接受的所以,accept失败后不需要退出程序难道拉客的时候失败了你就辞职了吗? 不会的,你只会继续下一次的拉客 当客户端与服务端建立好连接后,就可以开始通信了 辅助函数 获取时间,为客户端封装标识符 #pragma once#include string
#include cstringenum
{SOCK_ERROR 1,BIND_ERROR,LISTEN_ERROR,CONNECT_ERROR
};std::string get_time()
{time_t t time(nullptr);struct tm *ctime localtime(t);char time_stamp[1024];snprintf(time_stamp, sizeof(time_stamp), [%d-%d-%d %d:%d:%d]:,ctime-tm_year 1900, ctime-tm_mon 1, ctime-tm_mday,ctime-tm_hour, ctime-tm_min, ctime-tm_sec);return time_stamp;
}std::string generate_id(const std::string ip, const uint16_t port)
{return [ ip : std::to_string(port) ];
} 打印日志 #pragma once#include iostream
#include time.h
#include stdarg.h
#include sys/types.h
#include sys/stat.h
#include fcntl.h
#include unistd.h
#include stdlib.h#define INFO 0
#define DEBUG 1
#define WARNING 2
#define ERROR 3
#define FATAL 4 // 致命的错误#define SIZE 1024class Log
{
public:Log(){}void operator()(int level, const char *format, ...){time_t t time(nullptr);struct tm *ctime localtime(t);char leftbuffer[SIZE];snprintf(leftbuffer, sizeof(leftbuffer), [%s][%d-%d-%d %d:%d:%d], levelToString(level).c_str(),ctime-tm_year 1900, ctime-tm_mon 1, ctime-tm_mday,ctime-tm_hour, ctime-tm_min, ctime-tm_sec);va_list s;va_start(s, format);char rightbuffer[SIZE];vsnprintf(rightbuffer, sizeof(rightbuffer), format, s);va_end(s);// 格式默认部分自定义部分char logtxt[SIZE * 2];snprintf(logtxt, sizeof(logtxt), %s %s, leftbuffer, rightbuffer);printf(%s\n, logtxt);}~Log(){}private:std::string levelToString(int level){switch (level){case INFO:return INFO;case DEBUG:return DEBUG;case WARNING:return WARNING;case ERROR:return ERROR;case FATAL:return FATAL;default:return NONE;}}
};Log lg; 服务端 代码 #include iostream
#include string#include netinet/in.h
#include sys/types.h
#include sys/socket.h
#include unistd.h
#include arpa/inet.h
#include cstring#include Log.hpp
#include helper.hppconst int backlog 5;
const int buff_size 1024;class tcp_server
{
public:tcp_server(const uint16_t port 8080, const std::string ip 0.0.0.0): ip_(ip), port_(port), listen_sockfd_(-1){}void run(){init();sockaddr_in client_addr;socklen_t client_len sizeof(client_addr);memset(client_addr, 0, client_len);lg(INFO, init success);while (true){int sockfd accept(listen_sockfd_, reinterpret_caststruct sockaddr *(client_addr), client_len);if (sockfd 0){continue;}char client_ip[32];inet_ntop(AF_INET, (client_addr.sin_addr), client_ip, sizeof(client_ip));int client_port ntohs(client_addr.sin_port);lg(INFO, get a new link..., sockfd: %d, client ip: %s, client port: %d, sockfd, client_ip, client_port);echo(sockfd, client_ip, client_port);close(sockfd);}}~tcp_server() {}private:void init(){listen_sockfd_ socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (listen_sockfd_ 0){lg(FATAL, socket create error, sockfd : %d,%s, listen_sockfd_, strerror(errno));exit(SOCK_ERROR);}lg(INFO, socket create success, sockfd : %d, listen_sockfd_);struct sockaddr_in *addr new sockaddr_in;memset(addr, 0, sizeof(*addr));addr-sin_family AF_INET;inet_pton(AF_INET, ip_.c_str(), (addr-sin_addr));addr-sin_port htons(port_);int t bind(listen_sockfd_, reinterpret_caststruct sockaddr *(addr), sizeof(*addr));if (t 0){lg(FATAL, bind error, sockfd : %d,%s, listen_sockfd_, strerror(errno));exit(BIND_ERROR);}lg(INFO, bind success, sockfd : %d, listen_sockfd_);if (listen(listen_sockfd_, backlog) 0){lg(FATAL, listen error, sockfd : %d,%s, listen_sockfd_, strerror(errno));exit(LISTEN_ERROR);}lg(INFO, listen success, sockfd : %d, listen_sockfd_);delete addr;}void echo(int fd, const char* ip, const uint16_t port){char buffer[buff_size];memset(buffer, 0, sizeof(buffer));while (true){int n read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (n 0){lg(ERROR, %s:%d read error, %s, ip, port, strerror(errno));break;}else if (n 0) //如果返回0,说明对端关闭了连接{lg(INFO, %s:%d quit, ip, port);break;}else{buffer[n] 0;std::string res process_info(buffer, ip, port);write(fd, res.c_str(), res.size());}}}std::string process_info(const std::string info, const std::string ip, const uint16_t port){std::string time_stamp get_time();std::string id generate_id(ip, port);std::string res id time_stamp info;return res;}private:int listen_sockfd_;uint16_t port_;std::string ip_;
}; 运行情况 -- telnet ip 端口号 当我们只有服务端,且想要查看服务端是否处于监听状态,就可以用这个命令远程连接指定服务 这样我们就可以将其作为客户端,与服务端通信了: 当我们想要退出时,输入ctrl],再输入quit命令即可: 传输的数据为什么没有转换格式 我们一直都对ip地址和端口号进行转换,那传输的数据呢? 无论是之前的udp协议,还是今天写的tcp协议,都是直接将字符串传进去了,为什么能这样呢? 因为收发数据的函数会自动帮我们进行转换而ip地址和端口号是被存到系统级的结构体里的,它规定的数据类型就是那样所以我们在初始化时必须转成相应类型 ; 当我们要读取时,也要转换成适合显示的类型 客户端 思路 和使用udp协议一样,客户端也需要套接字(因为服务端创建了套接字,他们之间通信的基础就是套接字) 依然也不需要手动绑定,由os为我们随机分配端口号并绑定(因为客户端的端口号不重要,只需要保证客户端的唯一性即可) 那什么时候os为我们绑定呢? udp是在客户端第一次发送消息时绑定,但tcp必须要先连接成功,才能发送消息而服务端有等待连接的函数,那么客户端肯定也有建立连接的函数 -- connect()也就是在客户端主动向服务端建立连接时,os调用bind,将客户端的套接字创建好 -- 这是建立连接的前提既然要主动建立连接,客户端就得提前知道服务端的ip和端口号(和udp里,主动向服务端发送消息一样)所以,这些信息我们要么在代码里写死,要么以命令行的形式传进去 连接成功后,客户端就可以开始发送数据了 发送完,等待服务端的响应数据 代码 #include iostream
#include string#include netinet/in.h
#include sys/types.h
#include sys/socket.h
#include unistd.h
#include arpa/inet.h
#include cstring#include Log.hpp
#include helper.hppclass tcp_client
{
public:tcp_client(const uint16_t port 8080, const std::string ip 47.108.135.233): sockfd_(-1), port_(port), ip_(ip){}~tcp_client() {}void run(){// struct sockaddr_in *server_addr init();sockfd_ socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd_ 0){lg(FATAL, socket create error, sockfd : %d,%s, sockfd_, strerror(errno));exit(SOCK_ERROR);}lg(INFO, socket create success, sockfd : %d, sockfd_);struct sockaddr_in *server_addr new sockaddr_in;memset(server_addr, 0, sizeof(*server_addr));server_addr-sin_family AF_INET;inet_pton(AF_INET, ip_.c_str(), (server_addr-sin_addr));server_addr-sin_port htons(port_);int ret connect(sockfd_, reinterpret_caststruct sockaddr *(server_addr), sizeof(*server_addr));if (ret 0){std::cout connect fail std::endl;exit(CONNECT_ERROR);}while (true){std::cout please enter: std::endl;std::string buffer;std::getline(std::cin, buffer);write(sockfd_, buffer.c_str(), buffer.size());char info[1024];memset(info, 0, sizeof(info));int n read(sockfd_, info, sizeof(info) - 1);if (n 0){info[n] 0;std::cout info std::endl;}else{break;}}}private:struct sockaddr_in *init(){sockfd_ socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd_ 0){lg(FATAL, socket create error, sockfd : %d,%s, sockfd_, strerror(errno));exit(SOCK_ERROR);}lg(INFO, socket create success, sockfd : %d, sockfd_);struct sockaddr_in *addr new sockaddr_in;memset(addr, 0, sizeof(*addr));addr-sin_family AF_INET;inet_pton(AF_INET, ip_.c_str(), (addr-sin_addr));addr-sin_port htons(port_);return addr;}private:int sockfd_;uint16_t port_;std::string ip_;
}; 因为tcp是在建立好连接的基础上通信的,如果通信过程中,连接断掉了该怎么办?
就和游戏中有时候会提示:断线重连中(一般是我们自己的网络出现波动/断掉了),我们需要重新调用客户端中的connect函数
当我们在游戏里重新连接上时,有些游戏会将已经进行的游戏内容快速给你播放一遍
这就说明该游戏会将游戏数据一直维护着,重连后将数据全部推送给你,然后让你继续游玩 多进程版 引入 如果有多个客户端运行的话,我们的代码无法支持并发运行 因为服务端是单进程,所以只能一直循环为一个客户端服务直到这个客户端退出后,才会退出echo函数(里面是while循环),才会重新获取连接(也就是回到while循环的一开始):让后启动的客户端只能干等着,这显然是不合理的所以我们需要将服务端改为多进程版本的 -- 当有新客户端连接时,就创建出新的子进程,让子进程去服务,主进程去监听是否有新的连接 问题 父进程等待子进程是必要的 不然就会形成僵尸进程 又因为父进程不会退出(他负责监听是否有进程连接,连接了就派进程去服务) 所以让子进程变成孤儿进程也是不行的 并且,它也不可以阻塞在等待函数里(他有自己的任务) 不然和之前的代码有什么区别呢 所以,该怎么办呢? 解决 选择非阻塞式等待(也就是轮询)是可以的 但我们还有其他方法: 先明确我们的前提 -- 不能让阻塞式等待的父进程卡在waitpid,也不能托孤-子进程最好立即退出-让其他进程去帮子进程执行也就是在子进程内部再次fork,让孙子进程实际提供服务-因为子进程的退出,孙子进程成为了孤儿进程,由os释放其资源这样父进程就可以立即等待到子进程,也就会进入下一次的循环去进行连接了子进程和孙子进程都不会变成僵尸进程皆大欢喜~ 也可以手动忽略子进程发出的sigchld信号 这样父进程也不需要等待了,由os接手释放资源 注意点 注意,子进程是去执行io操作的,所以listen_sockfd就没有用了(它只管连接) 那么子进程最好关闭它,防止误操作子进程关闭了它,并不会使指向的文件真正关闭 -- 还有父进程使用它(os在管理它时,会有一个引用计数字段嘟,只有计数0时,才会关闭文件) 同理,父进程将io操作交给了子进程去处理,那么用于io的sockfd就没用了 需要关闭它 这样,这两个套接字分别都只有一个进程去使用了 服务端 代码 void run(){init();sockaddr_in client_addr;socklen_t client_len sizeof(client_addr);memset(client_addr, 0, client_len);lg(INFO, init success);while (true){int sockfd accept(listen_sockfd_, reinterpret_caststruct sockaddr *(client_addr), client_len);if (sockfd 0){continue;}char client_ip[32];inet_ntop(AF_INET, (client_addr.sin_addr), client_ip, sizeof(client_ip));int client_port ntohs(client_addr.sin_port);lg(INFO, get a new link..., sockfd: %d, client ip: %s, client port: %d, sockfd, client_ip, client_port);// 单进程版// echo(sockfd, client_ip, client_port);// close(sockfd);// 多进程版 -- 孙子进程版int ret fork();if (ret 0){close(listen_sockfd_);int t fork();if (t 0){echo(sockfd, client_ip, client_port);}exit(0);}close(sockfd);waitpid(ret, nullptr, 0);// 多进程版 -- 忽略信号版int ret fork();if (ret 0){close(listen_sockfd_);echo(sockfd, client_ip, client_port);exit(0);}close(sockfd);signal(SIGCHLD, SIG_IGN);}} 其他的都没有变 运行情况 可以看到,当我们运行了两个客户端时,就有对应的孙子进程被创建,且都变成了孤儿进程,被init进程抚养: 或者是忽略信号的方法,同时运行两个客户端,且其中一个退出后,可以看到并没有形成僵尸进程: 进程池版(简单介绍) 也可以提前创建好进程,每个进程都去执行while循环(从获取连接到提供io服务),这样也可以并发式地让多个客户端同时与服务端通信 那么他们每个进程都需要通过accept获取网络文件,就存在着竞争关系,也就需要加锁(不然可能会出现多个进程打开同一个文件的情况) 多线程版 引入 但是,这样写出的代码需要创建出很多子进程 不仅可能出现一个客户端对应一个子进程的情况而且创建进程的成本很高,很占据资源 实际上我们只是需要有人去执行任务就行 所以多线程是我们的最佳选择它是cpu调度的基本单位,可以最低成本地实现我们的需求 问题解决 但是线程也需要主线程去等待耶,那主线程还是会卡在join那里,直到等待到线程完成任务,这不符合我们的预期 所以,我们让副线程与主线程分离 -- detach(之前一直没用过这个接口,但现在有它的用武之地了)线程退出时会自动释放资源而不需要等待其他线程调用pthread_join函数 注意点 和父子进程不同的是,多个线程共享所在进程的文件描述符表 注意是完全共享,而不是父子进程之间的写时拷贝模式所以不需要关闭一旦其中某个线程关闭了它,其他线程也就用不了了 因为我们要在类内部创建线程 那么线程执行函数就得是static类型的 但这样就没有this指针了 所以需要定义一个类型,将this指针封装进去也包括echo函数需要用到的数据(这样在函数内部强转指针后,就可以直接使用了) 服务端 代码 class tcp_server; //提前声明一下tcp_server 是个类类型,不然编译过不去struct p_data
{int fd_;uint16_t port_;std::string ip_;tcp_server *it_;
};void run(){init();sockaddr_in client_addr;socklen_t client_len sizeof(client_addr);memset(client_addr, 0, client_len);lg(INFO, init success);while (true){int sockfd accept(listen_sockfd_, reinterpret_caststruct sockaddr *(client_addr), client_len);if (sockfd 0){continue;}char client_ip[32];inet_ntop(AF_INET, (client_addr.sin_addr), client_ip, sizeof(client_ip));uint16_t client_port ntohs(client_addr.sin_port);lg(INFO, get a new link..., sockfd: %d, client ip: %s, client port: %d, sockfd, client_ip, client_port);// 单进程版// echo(sockfd, client_ip, client_port);// close(sockfd);// 多进程版 -- 孙子进程版// int ret fork();// if (ret 0)// {// close(listen_sockfd_);// int t fork();// if (t 0)// {// echo(sockfd, client_ip, client_port);// }// exit(0);// }// close(sockfd);// waitpid(ret, nullptr, 0);// 多进程版 -- 忽略信号版// int ret fork();// if (ret 0)// {// close(listen_sockfd_);// echo(sockfd, client_ip, client_port);// exit(0);// }// close(sockfd);// signal(SIGCHLD, SIG_IGN);// 多线程版pthread_t tid 0;p_data *p new p_data({sockfd, client_port, client_ip, this});pthread_create(tid, nullptr, entrance, reinterpret_castvoid *(p));}}static void *entrance(void *args){pthread_detach(pthread_self());p_data *p reinterpret_castp_data *(args);tcp_server *it p-it_;it-echo(p-fd_, (p-ip_).c_str(), p-port_);delete p;return nullptr;} 运行情况 当我们运行起两个客户端后,就可以看见有两个线程创建出来了: 线程池版 引入 虽然比起进程版本的来说,多线程的成本变小了,但仍然存在客户端和线程一对一的弊端 访问量较大时,服务端还是可能带不起来而且是在客户端已经到来时才创建线程,效率比较低所以,线程池就可以使用了(之前写过,这里就直接使用了) -- 线程池(图解,本质,模拟实现代码),添加单例模式(懒汉思路代码)-CSDN博客 过程介绍 首先回顾一下线程池的内容: 提前创建出一定数量的线程,主线程push任务进队列如果有任务,空闲的线程去竞争任务,拿到任务的线程(pop)去执行任务如果没有任务,线程就等待任务的到来 在当时的线程池里,我们的重点在于如何放/取任务,但只有这些并不是一个完整的cp模型,在这里就可以填补上这个空缺了 也就是任务的来源和后续的处理来源 : 客户端的访问处理 : 将消息封装后回显,然后交回给客户端(也就是我们的echo函数)这样,线程之间竞争任务就没那么激烈(因为会有部分线程陷于处理任务的状态) 并且,这里设计成每个线程只为客户端提供一次服务 当然,这是要看场景的,这里只是一个echo回显的功能,短时/长时服务都可以短时服务可以减少服务器的压力而像shell那种需要长时间的保持,就不能这么写了,Shell 进程会等待用户的输入(有时候也会在等待期间处理其他后台任务:下载文件等) 也就是 -- 只在客户端需要io时,才分配线程去处理,并且在处理完成后,就断开与客户端的连接,当客户端需要io时再连接 服务端 代码 void run_pthread_pool(){// 初始化init();thread_poolTask *tp thread_poolTask::get_instance();tp-init();sockaddr_in client_addr;socklen_t client_len sizeof(client_addr);memset(client_addr, 0, client_len);lg(INFO, init success);while (true){int sockfd accept(listen_sockfd_, reinterpret_caststruct sockaddr *(client_addr), client_len);if (sockfd 0){continue;}char client_ip[32];inet_ntop(AF_INET, (client_addr.sin_addr), client_ip, sizeof(client_ip));uint16_t client_port ntohs(client_addr.sin_port);lg(INFO, get a new link..., sockfd: %d, client ip: %s, client port: %d, sockfd, client_ip, client_port);Task t(sockfd,client_ip,client_port);tp-push(t);}} task.hpp #pragma once#include iostream
#include string
#include stdio.h#include helper.hpp
// 这里的任务是,服务端在收到客户端的连接后的后续工作class Task
{
public:Task() {} // 方便只是为了接收传参而定义一个对象Task(int fd, const char ip[32], const uint16_t port): sockfd_(fd), ip_(ip), port_(port){}void operator()(){char buffer[buff_size];memset(buffer, 0, sizeof(buffer));while (true){int n read(sockfd_, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (n 0){lg(ERROR, %s:%d read error, %s, ip_.c_str(), port_, strerror(errno));break;}else if (n 0){lg(INFO, %s:%d quit, ip_.c_str(), port_);break;}else{buffer[n] 0;std::string res process_info(buffer, ip_, port_);write(sockfd_, res.c_str(), res.size());}}}private:int sockfd_;uint16_t port_;std::string ip_;
}; thread_pool.hpp #include pthread.h
#include vector
#include queue
#include stdlib.h
#include string
#include unistd.h
#include semaphore.h
#include iostreamstruct thread
{pthread_t tid_;std::string name_;
};template class T
class thread_pool
{
private:void lock(){pthread_mutex_lock(mutex_);}void unlock(){pthread_mutex_unlock(mutex_);}void wait(){pthread_cond_wait(cond_, mutex_);}void signal(){pthread_cond_signal(cond_);}T pop(){T t task_.front();task_.pop();return t;}bool is_empty(){return task_.size() 0;}static void *entry(void *args) // 类成员会有this参数,但入口函数不允许有多余参数{thread_poolT *tp static_castthread_poolT *(args); // this指针,用于拿到成员变量/函数while (true){tp-lock();while (tp-is_empty()){tp-wait();}T t tp-pop();tp-unlock();t();}return nullptr;}public:static thread_poolT *get_instance(int num 5){// 如果这样写,虽然保证了安全,但会在创建对象后,线程依然线性运行// pthread_mutex_lock(single_mutex_);// if (myself_ nullptr)// {// myself_ new thread_poolT(num);// }// pthread_mutex_unlock(single_mutex_);if (myself_ nullptr) // 再加一层判断,就可以提高效率{pthread_mutex_lock(single_mutex_);if (myself_ nullptr){myself_ new thread_poolT(num);//std::cout get instance success std::endl;}pthread_mutex_unlock(single_mutex_);}return myself_;}void init(){for (size_t i 0; i num_; i){pthread_create((threads_[i].tid_), nullptr, entry, this);pthread_detach(threads_[i].tid_);}}void push(const T data){lock();task_.push(data);signal(); // 放在锁内,确保只有当前线程执行唤醒操作,不然可能会有多次操作unlock();}private:thread_pool(int num 5): num_(num), threads_(num){pthread_cond_init(cond_, nullptr);pthread_mutex_init(mutex_, nullptr);}~thread_pool(){pthread_cond_destroy(cond_);pthread_mutex_destroy(mutex_);}private:std::vectorthread threads_;std::queueT task_;int num_;pthread_cond_t cond_;pthread_mutex_t mutex_;static thread_poolT *myself_; // 每次外部想要线程池对象时,返回的都是这一个(只有静态成员变量,才能保证一个类只有一个)static pthread_mutex_t single_mutex_;
};template class T
thread_poolT *thread_poolT::myself_ nullptr;template class T
pthread_mutex_t thread_poolT::single_mutex_ PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 因为task.hpp里面需要用到process_info函数,处理我们收到的信息,所以我将这个函数从服务端类内挪到了helper.hpp里(反正这个函数不需要用到类内成员) helper.hpp #pragma once#include string
#include cstringenum
{SOCK_ERROR 1,BIND_ERROR,LISTEN_ERROR,CONNECT_ERROR
};const int buff_size 1024;std::string get_time()
{time_t t time(nullptr);struct tm *ctime localtime(t);char time_stamp[1024];snprintf(time_stamp, sizeof(time_stamp), [%d-%d-%d %d:%d:%d]:,ctime-tm_year 1900, ctime-tm_mon 1, ctime-tm_mday,ctime-tm_hour, ctime-tm_min, ctime-tm_sec);return time_stamp;
}std::string generate_id(const std::string ip, const uint16_t port)
{return [ ip : std::to_string(port) ];
}std::string process_info(const std::string info, const std::string ip, const uint16_t port)
{std::string time_stamp get_time();std::string id generate_id(ip, port);std::string res id time_stamp info;return res;
} 运行情况 服务端启动起来后,就有五个新线程被创建出来(因为我们的默认线程数量是5):
