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 <vector>
#include <queue>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <condition_variable>
#include <future>
#include <functional>
#include <stdexcept>

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<void()>;
  // 线程池
  std::vector<std::thread> pool;
  // 任务队列
  std::queue<Task> tasks;
  // 同步
  std::mutex m_lock;
  // 条件阻塞
  std::condition_variable cv_task;
  // 是否关闭提交
  std::atomic<bool> stoped;
  //空闲线程数量
  std::atomic<int> 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<void()> task;
            {  // 获取一个待执行的 task
              std::unique_lock<std::mutex> 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<class F, class... Args>
  auto commit(F&& f, Args&&... args) ->std::future<decltype(f(args...))>
  {
    if (stoped.load())  // stop == true ??
      throw std::runtime_error("commit on ThreadPool is stopped.");

    using RetType = decltype(f(args...)); // typename std::result_of<F(Args...)>::type, 函数 f 的返回值类型
    auto task = std::make_shared<std::packaged_task<RetType()> >(
      std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...)
      );  // wtf !
    std::future<RetType> future = task->get_future();
    {  // 添加任务到队列
      std::lock_guard<std::mutex> 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 <iostream>

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<void> ff = executor.commit(fun1,0);
    std::future<int> fg = executor.commit(gfun{},0);
    std::future<int> gg = executor.commit(a.Afun, 9999); //IDE提示错误,但可以编译运行
    std::future<std::string> gh = executor.commit(A::Bfun, 9998,"mult args", 123);
    std::future<std::string> 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="<<executor.idlCount() << std::endl;

    std::cout << " ======= sleep ========= " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));

    ff.get(); //调用.get()获取返回值会等待线程执行完,获取返回值
    std::cout << fg.get() << " " << fh.get().c_str()<< " " << std::this_thread::get_id() << std::endl;

    std::cout << " ======= sleep ========= " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));

    std::cout << " ======= fun1,55 ========= " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    executor.commit(fun1,55).get();  //调用.get()获取返回值会等待线程执行完

    std::cout << "end... " << std::this_thread::get_id() << std::endl;


    std::threadpool pool(4);
    std::vector< std::future<int> > 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<bool> 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。

1. using Task = function<void()> 是类型别名，简化了 typedef 的用法。function<void()> 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。

2. pool.emplace_back([this]{...}) 和 pool.push_back([this]{...}) 功能一样，只不过前者性能会更好；

3. 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 ；

4. 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；

5. 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；

6. 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！

7. 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！

8. 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)；

9. make_shared 用来构造 shared_ptr 智能指针。用法大体是 shared_ptr<int> p = make_shared<int>(4) 然后 *p == 4 。智能指针的好处就是， 自动 delete ！

10. 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！

11. 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)；

12. 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 () ；

13. 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；

14. 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；

15. 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。

16. 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!

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