C++实现一个线程池

一、为什么使用线程池

大家都知道C++支持多线程开发，也就是支持多个任务并行运行，我们也知道线程的生命周期中包括创建、就绪、运行、阻塞、销毁等阶段，所以如果要执行的任务很多，每个任务都需要一个线程的话，那么频繁的创建、销毁线程会比较耗性能。

有了线程池就不用创建更多的线程来完成任务，它可以：

①降低资源的消耗，通过重复利用已经创建的线程降低线程创建和销毁造成的消耗。

②提高相应速度，当任务到达的时候，任务可以不需要等到线程创建就能立刻执行。

③提高线程的可管理性，线程是稀缺资源，使用线程池可以统一的分配、调优和监控。

二、线程池的原理

通俗的讲，线程池就是一个线程集合，里面已经提前创建好了若干个线程，当需要线程的时候到线程集合里获取一个即可，这样省去了创建线程的时间，当然也省去了系统回收线程的时间，当线程池里的线程都被使用了后，只能阻塞等待了，等待获取线程池后被释放的线程。

线程池主要包括任务队列，线程队列，线程池类，线程池管理类和任务类等组成部分。当线程池提交一个任务到线程池后，执行流程如下：

线程池先判断核心线程池里面的线程是否都在执行任务。如果不是都在执行任务，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程池中的线程都在执行任务，则判断工作队列是否已满。如果工作队列没有满，则将新提交的任务存储到这个工作队列中，如果工作队列满了，线程池则判断线程池的线程是否都处于工作状态。如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已经满了，则交给饱和策略来处理 ，也就是拒接策略。
一句话：管理一个任务队列，一个线程队列，然后每次去一个任务分配给一个线程去做，循环往复。

三、代码实现

有什么问题？线程池一般是要复用线程，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，在语言层面这是基本不能实现的：C++的thread都是执行一个固定的task函数，执行完之后线程也就结束了。所以该如何实现task和thread的分配呢？

让每一个thread创建后，就去执行调度函数：循环获取task，然后执行。

这个循环该什么时候停止呢？

很简单，当线程池停止使用时，循环停止。

这样一来，就保证了thread函数的唯一性，而且复用线程执行task。

总结一下，我们的线程池的主要组成部分有二：

• 任务队列（Task Queue）
• 线程池（Thread Pool）

#ifndef THREAD_POOL_H
#define THREAD_POOL_H
 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
 
class ThreadPool {
 
public:
    ThreadPool(size_t);                          //构造函数
    template<class F, class... Args>             //类模板
    auto enqueue(F&& f, Args&&... args)->std::future<decltype(func(args...))>;//任务入队
    ~ThreadPool();                              //析构函数
 
private:
    std::vector< std::thread > workers;            //线程队列，每个元素为一个Thread对象
    std::queue< std::function<void()> > tasks;     //任务队列，每个元素为一个函数对象    
 
    std::mutex queue_mutex;                        //互斥量
    std::condition_variable condition;             //条件变量
    bool stop;                                     //停止
};
 
// 构造函数，把线程插入线程队列，插入时调用embrace_back()，用匿名函数lambda初始化Thread对象
inline ThreadPool::ThreadPool(size_t threads) : stop(false){
 
    for(size_t i = 0; i
        workers.emplace_back(
            [this]
            {
                for(;;)
                {
                    // task是一个函数类型，从任务队列接收任务
                    std::function<void()> task;  
                    {
                        //给互斥量加锁，锁对象生命周期结束后自动解锁
                        std::unique_lock lock(this->queue_mutex);
                        
                        //（1）当匿名函数返回false时才阻塞线程，阻塞时自动释放锁。
                        //（2）当匿名函数返回true且受到通知时解阻塞，然后加锁。
                        this->condition.wait(lock,[this]{ return this->stop || !this->tasks.empty(); });
                       
                         if(this->stop && this->tasks.empty())
                            return;
                        
                        //从任务队列取出一个任务
                        task = std::move(this->tasks.front());
                        this->tasks.pop();
                    }                            // 自动解锁
                    task();                      // 执行这个任务
                }
            }
        );
}
 
// 添加新的任务到任务队列
template<class F, class... Args>
auto ThreadPool::enqueue(F&& f, Args&&... args)->std::future<decltype(func(args...))>
{
    // 获取函数返回值类型        
    using return_type = decltype(func(args...));
 
    // 创建一个指向任务的智能指针
    auto task = std::make_shared< std::packaged_task<return_type()> >(
            std::bind(std::forward(f), std::forward(args)...)
        );
        
    std::future res = task->get_future();
    {
        std::unique_lock lock(queue_mutex);  //加锁
        if(stop)
            throw std::runtime_error("enqueue on stopped ThreadPool");
 
        tasks.emplace([task](){ (*task)(); });          //把任务加入队列
    }                                                   //自动解锁
    condition.notify_one();                             //通知条件变量，唤醒一个线程
    return res;
}
 
// 析构函数，删除所有线程
inline ThreadPool::~ThreadPool()
{
    {
        std::unique_lock lock(queue_mutex);
        stop = true;
    }
    condition.notify_all();
    for(std::thread &worker: workers)
        worker.join();
}
 
#endif

使用

#include 
#include 
#include "ThreadPool.h"
 
void func()
{
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    std::cout<<"worker thread ID:"<get_id()<
}
 
int main()
{
    ThreadPool pool(4);
    while(1)
    {
       pool.enqueue(func);
    }
}

打印

另一种实现，

其中线程池类 ThreadPool 维护了一个任务队列 tasks_，并且可以动态添加任务到队列中。线程池管理类 ThreadPoolManager 提供了获取线程池实例的接口，使用时只需要通过 ThreadPoolManager::getThreadPool() 获取线程池实例，然后调用 enqueue 方法添加任务即可 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
 
using namespace std;
 
// 任务类
class Task {
public:
    Task(function<void()> f) : func(f) {}
    void operator()() { func(); }
private:
    function<void()> func;
};
 
// 线程池类
class ThreadPool {
public:
    ThreadPool(int size) : stop(false) {
        for (int i = 0; i < size; ++i) {
            threads.emplace_back([this] {
                while (true) {
                    function<void()> task;
                    {
                        unique_lock lock(mutex_);
                        condition_.wait(lock, [this] { return stop || !tasks_.empty(); });
                        if (stop && tasks_.empty()) return;
                        task = move(tasks_.front());
                        tasks_.pop();
                    }
                    task();
                }
            });
        }
    }
 
    ~ThreadPool() {
        {
            unique_lock lock(mutex_);
            stop = true;
        }
        condition_.notify_all();
        for (auto& thread : threads) {
            thread.join();
        }
    }
 
    template<typename F>
    void enqueue(F&& f) {
        {
            unique_lock lock(mutex_);
            tasks_.emplace(forward(f));
        }
        condition_.notify_one();
    }
 
private:
    vector threads;
    queuevoid()>> tasks_;
    mutex mutex_;
    condition_variable condition_;
    bool stop;
};
 
// 线程池管理类
class ThreadPoolManager {
public:
    static ThreadPool& getThreadPool() {
        static ThreadPool threadPool(thread::hardware_concurrency());
        return threadPool;
    }
};
 
int main() {
    ThreadPool& threadPool = ThreadPoolManager::getThreadPool();
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threadPool.enqueue(Task([] { cout << "Hello, World!" << endl; }));
    }
    return 0;
}

参考：

基于C++11实现线程池 - 知乎

C++实现线程池_蓬莱道人的博客-CSDN博客_c++ 线程池

C++实现线程池_晓枫寒叶的博客-CSDN博客_c++ 线程池
C++17future类+可变参模板实现线程池_刚入门的代码spa技师的博客-CSDN博客_c++17 可变参