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C++11多线程编程(六)——线程池的实现

2021-02-23 09:25 1161 查看

学一门新技术，还是要问那个问题，为什么我们需要这个技术，这个技术能解决什么痛点。

一、为何需要线程池

那么为什么我们需要线程池技术呢？多线程编程用的好好的，干嘛还要引入线程池这个东西呢？引入一个新的技术肯定不是为了装逼，肯定是为了解决某个问题的，而服务端一般都是效率问题。

我们可以看到多线程提高了CPU的使用率和程序的工作效率，但是如果有大量的线程，就会影响性能，因为要大量的创建与销毁，因为CPU需要在它们之间切换。线程池可以想象成一个池子，它的作用就是让每一个线程结束后，并不会销毁，而是放回到线程池中成为空闲状态，等待下一个对象来使用。

二、C++中的线程池

但是让人遗憾的是，C++并没有在语言级别上支持线程池技术，总感觉C++委员会对多线程的支持像是犹抱琵琶半遮面的羞羞女一样，无法完全的放开。

虽然无法从语言级别上支持，但是我们可以利用条件变量和互斥锁自己实现一个线程池。这里就不得不啰嗦几句，条件变量和互斥锁就像两把利剑，几乎可以实现多线程技术中的大部分问题，不管是生产消费者模型，还是线程池，亦或是信号量，所以我们必须好好掌握好这两个工具。

#ifndef _THREADPOOL_H
#define _THREADPOOL_H
#include <vector>
#include <queue>
#include <thread>
#include <iostream>
#include <condition_variable>
using namespace std;
 
const int MAX_THREADS = 1000; //最大线程数目
 
template <typename T>
class threadPool
{
public:
    threadPool(int number = 1);
    ~threadPool();
    bool append(T *task);
    //工作线程需要运行的函数,不断的从任务队列中取出并执行
    static void *worker(void *arg);
    void run();
 
private:
    //工作线程
    vector<thread> workThread;
    //任务队列
    queue<T *> taskQueue;
    mutex mt;
    condition_variable condition;
    bool stop;
};
 
template <typename T>
threadPool<T>::threadPool(int number) : stop(false)
{
    if (number <= 0 || number > MAX_THREADS)
        throw exception();
    for (int i = 0; i < number; i++)
    {
        cout << "create thread：" << i << endl;
        workThread.emplace_back(worker, this);
    }
}
template <typename T>
inline threadPool<T>::~threadPool()
{
    {
        unique_lock<mutex> unique(mt);
        stop = true;
    }
    condition.notify_all();
    for (auto &wt : workThread)
        wt.join();
}
template <typename T>
bool threadPool<T>::append(T *task)
{
    //往任务队列添加任务的时候，要加锁，因为这是线程池，肯定有很多线程
    unique_lock<mutex> unique(mt);
    taskQueue.push(task);
    unique.unlock();
    //任务添加完之后，通知阻塞线程过来消费任务，有点像生产消费者模型
    condition.notify_one();
    return true;
}
template <typename T>
void *threadPool<T>::worker(void *arg)
{
    threadPool *pool = (threadPool *)arg;
    pool->run();
    return pool;
}
template <typename T>
void threadPool<T>::run()
{
    while (!stop)
    {
        unique_lock<mutex> unique(this->mt);
        //如果任务队列为空，就停下来等待唤醒，等待另一个线程发来的唤醒请求
        while (this->taskQueue.empty())
            this->condition.wait(unique);      
        T *task = this->taskQueue.front();
        this->taskQueue.pop();
        if (task)
            task->process();
    }
}
#endif

三、线程池代码解析

对于线程池ThreadPool，必须要有构造和析构函数，构造函数中，创建N个线程(这个自己指定)，插入到工作线程当中，工作线程可以是vector结构。工作线程中的线程具体要做什么呢？进入线程的时候必要用unique_lock进程加锁处理，不能让其他线程以及主线程影响到要处理的这个线程。判断任务队列是否为空，如果为空，则利用条件变量中的wait函数来阻塞该线程，等待任务队列不为空之后唤醒它。然后取出任务队列中的任务，执行任务中的具体操作。接着将任务放入任务队列taskQueue，这里的任务是外部根据自己的业务自己定义的，可以是对象，可以是函数，结构体等等，而任务队列这里定义为queue结构，一定要记得将任务放入任务队列的时候，要在之前加锁，放入之后在解锁，这里的加锁解锁可以用unique_lock结构，当然也可以用mutex结构，而放入任务队列之后就可以用条件变量的notify_one函数通知阻塞的线程来取任务处理了。
看过我之前写的《生产消费者模型之条件变量》的朋友对以上代码有点熟悉，没错，线程池的实现就有点像是生产消费者模型，append()就像是生产者，不断的将任务放入队列，run()函数就像消费者，不断的从任务队列中取出任务来处理，生产消费的两头分别用notify_one()和wait()来唤醒和阻塞。更加详细的介绍可以去看我的上一篇文章。
最后写一个main文件来调用线程池的相关接口，main文件里定义一个任务对象，然后是main函数。

#include "threadPool.h"
#include <string>
using namespace std;
class Task
{
private:
    int total = 0;
 
public:
    void process();
};
 
//任务具体实现什么功能，由这个函数实现
void Task::process()
{
    //这里就输出一个字符串
    cout << "task successful！ " << endl;
    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
}
 
template class std::queue<Task>;
int main(void)
{
    threadPool<Task> pool(1);
    std::string str;
    while (1)
    {
        Task *task = new Task();
        pool.append(task);
        delete task;
    }
}

以上就是线程池的实现部分，充分利用条件变量和互斥锁来实现，模型可以参考生产消费者模型。以上代码部分来自网络，根据自己的需求更改一些。

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