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基于C++11中threadpool线程池的示例分析

发表于：2024-11-30 作者：千家信息网编辑

千家信息网最后更新 2024年11月30日，这篇文章给大家分享的是有关基于C++11中threadpool线程池的示例分析的内容。小编觉得挺实用的，因此分享给大家做个参考，一起跟随小编过来看看吧。C++11 加入了线程库，从此告别了标准库不支持

千家信息网最后更新 2024年11月30日基于C++11中threadpool线程池的示例分析

这篇文章给大家分享的是有关基于C++11中threadpool线程池的示例分析的内容。小编觉得挺实用的，因此分享给大家做个参考，一起跟随小编过来看看吧。

C++11 加入了线程库，从此告别了标准库不支持并发的历史。然而 c++ 对于多线程的支持还是比较低级，稍微高级一点的用法都需要自己去实现，譬如线程池、信号量等。线程池(thread pool)这个东西，在面试上多次被问到，一般的回答都是："管理一个任务队列，一个线程队列，然后每次取一个任务分配给一个线程去做，循环往复。" 貌似没有问题吧。但是写起程序来的时候就出问题了。

代码实现

#pragma once#ifndef THREAD_POOL_H#define THREAD_POOL_H#include #include #include #include #include #include #include #include namespace std{#define MAX_THREAD_NUM 256//线程池,可以提交变参函数或拉姆达表达式的匿名函数执行,可以获取执行返回值//不支持类成员函数, 支持类静态成员函数或全局函数,Opteron()函数等class threadpool{  using Task = std::function;  // 线程池  std::vector pool;  // 任务队列  std::queue tasks;  // 同步  std::mutex m_lock;  // 条件阻塞  std::condition_variable cv_task;  // 是否关闭提交  std::atomic stoped;  //空闲线程数量  std::atomic idlThrNum;public:  inline threadpool(unsigned short size = 4) :stoped{ false }  {    idlThrNum = size < 1 ? 1 : size;    for (size = 0; size < idlThrNum; ++size)    {  //初始化线程数量      pool.emplace_back(        [this]        { // 工作线程函数          while(!this->stoped)          {            std::function task;            {  // 获取一个待执行的 task              std::unique_lock lock{ this->m_lock };// unique_lock 相比 lock_guard 的好处是：可以随时 unlock() 和 lock()              this->cv_task.wait(lock,                [this] {                  return this->stoped.load() || !this->tasks.empty();                }              ); // wait 直到有 task              if (this->stoped && this->tasks.empty())                return;              task = std::move(this->tasks.front()); // 取一个 task              this->tasks.pop();            }            idlThrNum--;            task();            idlThrNum++;          }        }      );    }  }  inline ~threadpool()  {    stoped.store(true);    cv_task.notify_all(); // 唤醒所有线程执行    for (std::thread& thread : pool) {      //thread.detach(); // 让线程"自生自灭"      if(thread.joinable())        thread.join(); // 等待任务结束， 前提：线程一定会执行完    }  }public:  // 提交一个任务  // 调用.get()获取返回值会等待任务执行完,获取返回值  // 有两种方法可以实现调用类成员，  // 一种是使用  bind： .commit(std::bind(&Dog::sayHello, &dog));  // 一种是用 mem_fn： .commit(std::mem_fn(&Dog::sayHello), &dog)  template  auto commit(F&& f, Args&&... args) ->std::future  {    if (stoped.load())  // stop == true ??      throw std::runtime_error("commit on ThreadPool is stopped.");    using RetType = decltype(f(args...)); // typename std::result_of::type, 函数 f 的返回值类型    auto task = std::make_shared >(      std::bind(std::forward(f), std::forward(args)...)      );  // wtf !    std::future future = task->get_future();    {  // 添加任务到队列      std::lock_guard lock{ m_lock };//对当前块的语句加锁 lock_guard 是 mutex 的 stack 封装类，构造的时候 lock()，析构的时候 unlock()      tasks.emplace(        [task]()        { // push(Task{...})          (*task)();        }      );    }    cv_task.notify_one(); // 唤醒一个线程执行    return future;  }  //空闲线程数量  int idlCount() { return idlThrNum; }};}#endif

代码不多吧,上百行代码就完成了线程池, 并且, 看看 commit, 哈, 不是固定参数的, 无参数数量限制! 这得益于可变参数模板.

怎么使用?

看下面代码(展开查看)

#include "threadpool.h"#include void fun1(int slp){  printf(" hello, fun1 ! %d\n" ,std::this_thread::get_id());  if (slp>0) {    printf(" ======= fun1 sleep %d ========= %d\n",slp, std::this_thread::get_id());    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(slp));  }}struct gfun {  int operator()(int n) {    printf("%d hello, gfun ! %d\n" ,n, std::this_thread::get_id() );    return 42;  }};class A { public:  static int Afun(int n = 0) {  //函数必须是 static 的才能直接使用线程池    std::cout << n << " hello, Afun ! " << std::this_thread::get_id() << std::endl;    return n;  }  static std::string Bfun(int n, std::string str, char c) {    std::cout << n << " hello, Bfun ! "<< str.c_str() <<" " << (int)c <<" " << std::this_thread::get_id() << std::endl;    return str;  }};int main()  try {    std::threadpool executor{ 50 };    A a;    std::future ff = executor.commit(fun1,0);    std::future fg = executor.commit(gfun{},0);    std::future gg = executor.commit(a.Afun, 9999); //IDE提示错误,但可以编译运行    std::future gh = executor.commit(A::Bfun, 9998,"mult args", 123);    std::future fh = executor.commit([]()->std::string { std::cout << "hello, fh ! " << std::this_thread::get_id() << std::endl; return "hello,fh ret !"; });    std::cout << " ======= sleep ========= " << std::this_thread::get_id() << std::endl;    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(900));    for (int i = 0; i < 50; i++) {      executor.commit(fun1,i*100 );    }    std::cout << " ======= commit all ========= " << std::this_thread::get_id()<< " idlsize="< > results;    for (int i = 0; i < 8; ++i) {      results.emplace_back(        pool.commit([i] {          std::cout << "hello " << i << std::endl;          std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));          std::cout << "world " << i << std::endl;          return i*i;        })      );    }    std::cout << " ======= commit all2 ========= " << std::this_thread::get_id() << std::endl;    for (auto && result : results)      std::cout << result.get() << ' ';    std::cout << std::endl;    return 0;  }catch (std::exception& e) {  std::cout << "some unhappy happened... " << std::this_thread::get_id() << e.what() << std::endl;}

为了避嫌，先进行一下版权说明：代码是 me "写"的，但是思路来自 Internet，特别是这个线程池实现(基本 copy 了这个实现,加上这位同学的实现和解释，好东西值得 copy ! 然后综合更改了下,更加简洁)。

实现原理

接着前面的废话说。"管理一个任务队列，一个线程队列，然后每次取一个任务分配给一个线程去做，循环往复。" 这个思路有神马问题？线程池一般要复用线程，所以如果是取一个 task 分配给某一个 thread，执行完之后再重新分配，在语言层面基本都是不支持的：一般语言的 thread 都是执行一个固定的 task 函数，执行完毕线程也就结束了(至少 c++ 是这样)。so 要如何实现 task 和 thread 的分配呢？

让每一个 thread 都去执行调度函数：循环获取一个 task，然后执行之。

idea 是不是很赞！保证了 thread 函数的唯一性，而且复用线程执行 task 。

即使理解了 idea，代码还是需要详细解释一下的。

1、一个线程 pool，一个任务队列 queue ，应该没有意见；
2、任务队列是典型的生产者-消费者模型，本模型至少需要两个工具：一个 mutex + 一个条件变量，或是一个 mutex + 一个信号量。mutex 实际上就是锁，保证任务的添加和移除(获取)的互斥性，一个条件变量是保证获取 task 的同步性：一个 empty 的队列，线程应该等待(阻塞)；
3、atomic 本身是原子类型，从名字上就懂：它们的操作 load()/store() 是原子操作，所以不需要再加 mutex。

c++语言细节

即使懂原理也不代表能写出程序，上面用了众多c++11的"奇技淫巧"，下面简单描述之。

using Task = function 是类型别名，简化了 typedef 的用法。function 可以认为是一个函数类型，接受任意原型是 void() 的函数，或是函数对象，或是匿名函数。void() 意思是不带参数，没有返回值。
pool.emplace_back([this]{...}) 和 pool.push_back([this]{...}) 功能一样，只不过前者性能会更好；
pool.emplace_back([this]{...}) 是构造了一个线程对象，执行函数是拉姆达匿名函数；
所有对象的初始化方式均采用了 {}，而不再使用 () 方式，因为风格不够一致且容易出错；
匿名函数： [this]{...} 不多说。[] 是捕捉器，this 是引用域外的变量 this指针，内部使用死循环, 由cv_task.wait(lock,[this]{...}) 来阻塞线程；
delctype(expr) 用来推断 expr 的类型，和 auto 是类似的，相当于类型占位符，占据一个类型的位置；auto f(A a, B b) -> decltype(a+b) 是一种用法，不能写作 decltype(a+b) f(A a, B b)，为啥？！ c++ 就是这么规定的！
commit 方法是不是略奇葩！可以带任意多的参数，第一个参数是 f，后面依次是函数 f 的参数！(注意:参数要传struct/class的话,建议用pointer,小心变量的作用域) 可变参数模板是 c++11 的一大亮点，够亮！至于为什么是 Arg... 和 arg... ，因为规定就是这么用的！
commit 直接使用只能调用stdcall函数，但有两种方法可以实现调用类成员，一种是使用 bind： .commit(std::bind(&Dog::sayHello, &dog))；一种是用 mem_fn： .commit(std::mem_fn(&Dog::sayHello), &dog)；
make_shared 用来构造 shared_ptr 智能指针。用法大体是 shared_ptr p = make_shared(4) 然后 *p == 4 。智能指针的好处就是，自动 delete ！
bind 函数，接受函数 f 和部分参数，返回currying后的匿名函数，譬如 bind(add, 4) 可以实现类似 add4 的函数！
forward() 函数，类似于 move() 函数，后者是将参数右值化，前者是... 肿么说呢？大概意思就是：不改变最初传入的类型的引用类型(左值还是左值，右值还是右值)；
packaged_task 就是任务函数的封装类，通过 get_future 获取 future ，然后通过 future 可以获取函数的返回值(future.get())；packaged_task 本身可以像函数一样调用 () ；
queue 是队列类， front() 获取头部元素， pop() 移除头部元素；back() 获取尾部元素，push() 尾部添加元素；
lock_guard 是 mutex 的 stack 封装类，构造的时候 lock()，析构的时候 unlock()，是 c++ RAII 的 idea；
condition_variable cv; 条件变量，需要配合 unique_lock 使用；unique_lock 相比 lock_guard 的好处是：可以随时 unlock() 和 lock()。 cv.wait() 之前需要持有 mutex，wait 本身会 unlock() mutex，如果条件满足则会重新持有 mutex。
最后线程池析构的时候,join() 可以等待任务都执行完在结束,很安全!