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C++线程池

mrbone11 人气:0

前言

这段时间看了《C++并发编程实战》的基础内容，想着利用最近学的知识自己实现一个简单的线程池。

什么是线程池

线程池（thread pool）是一种线程使用模式。线程过多或者频繁创建和销毁线程会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多个线程，等待着管理器分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价，以及保证了线程的可复用性。线程池不仅能够保证内核的充分利用，还能防止过分调度。

思路

个人对线程池的理解是：利用已经创建的固定数量的线程去执行指定的任务，从而避免线程重复创建和销毁带来的额外开销。
C++11中，线程我们可以理解为对应一个thread对象，任务可以理解为要执行的函数，通常是耗时的函数。
我们的任务多少和顺序并非固定的，因此需要有一个方法能添加指定的任务，任务存放的地方应该是一个任务队列，因为我们的线程数量有限，当任务很多时同时执行的任务数量也有限，因此任务需要排队，遵循先来后到的原则。
当要执行一个任务时，意味着先将这个任务从队列取出，再执行相应任务，而“取出”动作的执行者是线程池中的线程，这意味我们的队列需要考虑多个线程在同一队列上执行“取出”操作的问题，实际上，取出任务操作和添加任务操作也不能同时进行，否则会产生竞争条件；另一方面，程序本身如果就是多线程的，多个线程同时添加任务的操作也应该是互斥的。
当没有任务可以执行时，所有线程应该什么也不做，当出现了一个任务时，应该将这个任务分配到任一线程中执行。实现上我们固然可以使用轮询的方式判断当前队列是否有任务，有则取出（即使加了互斥锁似乎也无法避免竞争条件？），但这样会消耗无谓的CPU资源，写轮询周期难以选取。其实，我们可以使用condition_variable代替轮询。
上述任务的创建和取出其实就是经典的生产者消费者模型。
我们将上面的内容都封装在一个类中，取名ThreadPool，用户可以在构造ThreadPool对象时指定线程池大小，之后可以随时添加要执行的任务。

实现

class ThreadPool
{
public:
	ThreadPool(int n);
	~ThreadPool();

	void pushTask(packaged_task<void()> &&task);

private:
	vector<thread*> threadPool;
	deque<packaged_task<void()>> taskQueue;

	void taskConsumer();
	mutex taskMutex;
	condition_variable taskQueueCond;
};

ThreadPool::ThreadPool(int n)
{
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		thread *t = new thread(&ThreadPool::taskConsumer,this);
		threadPool.push_back(t);
		t->detach();
	}
}

ThreadPool::~ThreadPool()
{
	while (!threadPool.empty())
	{
		thread *t=threadPool.back();
		threadPool.pop_back();
		delete t;
	}
}

void ThreadPool::pushTask(packaged_task<void()> &&task)
{
	{
		lock_guard<mutex> guard(taskMutex);
		taskQueue.push_back(std::move(task));
	}
	taskQueueCond.notify_one();
}

void ThreadPool::taskConsumer()
{
	while (true)
	{
		unique_lock<mutex> lk(taskMutex);
		taskQueueCond.wait(lk, [&] {return !taskQueue.empty(); });
		packaged_task<void()> task=std::move(taskQueue.front());
		taskQueue.pop_front();
		lk.unlock();
		task();
	}
}

这里我使用packaged_task作为任务，每当添加一个任务，就调用condition_variable::notify_one方法，调用condition_variable::wait的线程就会被唤醒，并检查等待条件。这里有个小细节是notify_one在解锁后执行，这样避免线程唤醒后还要等待互斥锁解锁。
使用示例：

void Task1()
{
	Sleep(1000);
	cout << "Task1"<<endl;
}

void Task5()
{
	Sleep(5000);
	cout << "Task5" << endl;
}

class Worker
{
public:
	void run();
};

void Worker::run()
{
	cout << "Worker::run start" << endl;
	Sleep(5000);
	cout << "Worker::run end" << endl;
}

int main()
{
	ThreadPool pool(2);
	pool.pushTask(packaged_task<void()>(Task5));
	pool.pushTask(packaged_task<void()>(Task1));
	pool.pushTask(packaged_task<void()>(Task1));
	Worker worker;
	pool.pushTask(packaged_task<void()>(bind(&Worker::run,&worker)));
	pool.pushTask(packaged_task<void()>([&](){worker.run();}));
	Sleep(20000);
}

这个线程池目前有几个缺点：

以上缺点在当前版本的实现不予解决，日后另写博文优化。
2021/12/29 更新之一：
事实上，我们只要将packaged_task改为funtion模板类，就可以简化我们的调用参数：

class ThreadPool
{
public:
	ThreadPool(int n);
	~ThreadPool();

	void pushTask(function<void()> task);

private:
	vector<thread*> threadPool;
	deque<function<void()>> taskQueue;

	void taskConsumer();
	mutex taskMutex;
	condition_variable taskQueueCond;
};

ThreadPool::ThreadPool(int n)
{
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		thread *t = new thread(&ThreadPool::taskConsumer,this);
		threadPool.push_back(t);
		t->detach();
	}
}

ThreadPool::~ThreadPool()
{
	while (!threadPool.empty())
	{
		thread *t=threadPool.back();
		threadPool.pop_back();
		delete t;
	}
}

void ThreadPool::pushTask(function<void()> task)
{
	{
		lock_guard<mutex> guard(taskMutex);
		taskQueue.push_back(std::move(task));
	}
	taskQueueCond.notify_one();
}

void ThreadPool::taskConsumer()
{
	while (true)
	{
		unique_lock<mutex> lk(taskMutex);
		taskQueueCond.wait(lk, [&] {return !taskQueue.empty(); });
		function<void()> task=taskQueue.front();
		taskQueue.pop_front();
		lk.unlock();
		task();
	}
}

调用代码改为如下：

ThreadPool pool(2);

pool.pushTask(&Task5);

pool.pushTask(&Task1);

pool.pushTask(&Task1);

Worker worker;

pool.pushTask((bind(&Worker::run, &worker)));

pool.pushTask([&](){worker.run(); });//1

Sleep(15000);

我们可以执行指定的函数，也可以将要执行的代码放入lambda表达式的函数体中，正如1处所示，这样就能在其他线程中执行指定的代码了。
2021/12/29 更新之二：
我们发现，main最后都要调用sleep函数来避免主线程在线程任务完成之前就退出，因此我们希望添加一个接口，等待线程所有任务完成，改进如下，其他函数同前：

class ThreadPool
{
public:
	ThreadPool(int n);
	~ThreadPool();

	void pushTask(function<void()> task);
	void waitAllTask();

private:
	vector<thread*> threadPool;
	deque<function<void()>> taskQueue;
	atomic<int> busyCount;
	bool bStop;

	void taskConsumer();
	mutex taskQueueMutex;
	condition_variable taskQueueCond;
	condition_variable taskFinishedCond;
};

void ThreadPool::taskConsumer()
{
	while (!bStop)
	{
		unique_lock<mutex> lk(taskQueueMutex);
		taskQueueCond.wait(lk, [&] {return !taskQueue.empty(); });
		busyCount++;
		function<void()> task=taskQueue.front();
		taskQueue.pop_front();
		lk.unlock();
		task();
		busyCount--;
		taskFinishedCond.notify_one();
	}
}

void ThreadPool::waitAllTask()
{
	unique_lock<mutex> lk(taskQueueMutex);
	taskFinishedCond.wait(lk, [&] {return taskQueue.empty() && busyCount==0; });//所有任务均已完成
}

这样我们只要调用waitAllTask就可以等待所有任务完成啦。

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