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基于C++11的线程池实现

2022-05-10 16:17 4115 查看

1.线程池

1.1 线程池是什么？

一种线程管理方式。

1.2 为什么用线程池？

线程的创建和销毁都需要消耗系统开销，当线程数量过多，系统开销过大，就会影响缓存局部性和整体性能。而线程池能够在充分利用内核资源的前提下，避免系统资源被过度调用。

1.3 如何设计线程池？

简单来说，在线程池中提前创建好多个线程，使用时从线程池中取出，使用完放回线程池。线程池中的线程调度由线程池中的管理者线程调度。

2.基于C++11的实现

Talk is cheap. Show me the code.

直接看程序，原理、函数在后面再介绍。

2.1 程序

程序主要分为四个文件，分别为:

Task.h //任务类
ThreadPool.h //线程池类
ThreadPool.cpp //线程池类实现
main.cpp //测试程序

2.1.2 任务类Task.h

#pragma once
using callback = void(*)(void*);//函数指针,定义别名

class Task{
public:
callback func;//回调任务函数
void* arg;    //函数参数
public:
Task() {                        //无参构造函数
this->func = nullptr;
this->arg = nullptr;
}
Task(callback func, void* arg) {//含参构造函数
this->func = func;
this->arg = arg;
}
~Task() = default;              //析构函数
Task(const Task &t) = default;  //拷贝构造函数
Task& operator=(const Task &t); //拷贝赋值操作符
Task(Task &&t) = default;       //移动构造函数,注意不能有const
Task& operator=(const Task &&t);//移动赋值操作符
};

2.1.2 线程池类ThreadPool.h

#pragma once

#include "Task.h"
#include <thread>
#include <queue>
#include <vector>
#include <atomic>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

using namespace std;

class ThreadPool {
public:
ThreadPool(int minSize, int maxSize);//构造函数
void AddTask(Task task);             //添加新任务
int GetBusyNum();                    //获取当前工作中的线程数
int GetAliveNum();                   //获取当前活着的线程数
int GetTaskQueueSize();              //获取当前任务队列长度
~ThreadPool();

ThreadPool(const ThreadPool &t) = default;  //拷贝构造函数
ThreadPool& operator=(const ThreadPool &t); //拷贝赋值操作符
ThreadPool(ThreadPool &&t) = default;       //移动构造函数
ThreadPool& operator=(const ThreadPool &&t);//移动赋值操作符

private:
queue<Task> taskQueue; //任务队列
thread managerID;//管理者线程ID
vector<thread> threadIDs;//工作中的线程组ID
int minNum;//最小线程数量（如果线程池中线程的数目过少，处理器的一些核可能就无法充分利用，浪费）
int maxNum;//最大线程数量（如果线程池中线程的数量过多，最终它们会竞争稀缺的处理器和内存资源，浪费大量的时间在上下文切换上。）
atomic_int busyNum;//工作中的线程数量（atomic_int保证其赋值，取值操作的原子性）
atomic_int liveNum;//活着的线程数量
atomic_int exitNum;//将要被销毁的线程数量

mutex mutexPool;//线程池的锁
condition_variable cond;//条件变量
bool shutDown;//是不是要销毁线程池, 销毁为true, 不销毁为false

static void worker(void* arg);//工作的线程任务函数
static void manager(void* arg);//管理者线程任务函数

static const int NUMBER = 2;//管理者线程每次增加/销毁的线程数
};

2.1.3 线程池类实现ThreadPool.cpp

#include "ThreadPool.h"
#include <unistd.h> //pthread_self
#include <iostream>

using namespace std;

ThreadPool::ThreadPool(int minSize, int maxSize) {
do{
minNum = minSize;
maxNum = maxSize;
busyNum = 0;
liveNum = minSize;
exitNum = 0;
shutDown = false;

//初始化管理者线程和工作线程组
managerID = thread(manager, this);
threadIDs.resize(maxSize);
for(int i = 0; i < minSize; ++i) {
threadIDs[i] = thread(worker, this);
}

return;
} while(0);//do{...}while(0)结构提高代码健壮性
}

ThreadPool::~ThreadPool() {
shutDown = true;
if(managerID.joinable()) {//阻塞在管理者线程，直到其执行完，再向下进行
managerID.join();
}
cond.notify_all();//唤醒所有等待的线程
for(int i = 0; i < maxNum; ++i) {//依次执行工作者的线程
if(threadIDs[i].joinable()) {
threadIDs[i].join();
}
}
}

//添加新任务
void ThreadPool::AddTask(Task task) {
unique_lock<mutex> poolLock(mutexPool);
if(shutDown) {
return;
}
taskQueue.emplace(task);
cond.notify_all();
}

int ThreadPool::GetBusyNum() {
return busyNum;
}

int ThreadPool::GetAliveNum() {
return liveNum;
}

int ThreadPool::GetTaskQueueSize() {
unique_lock<mutex> poolLock(mutexPool);
int queueSize = taskQueue.size();
poolLock.unlock();
return queueSize;
}

//工作者线程
void ThreadPool::worker(void* arg) {
ThreadPool* pool = static_cast<ThreadPool*>(arg);
while(true) {
unique_lock<mutex> poolLock(pool->mutexPool);
//若当前任务队列为空且线程池处于开启状态
while(pool->taskQueue.empty() && !pool->shutDown) {
pool->cond.wait(poolLock);//阻塞工作线程
//若存在待销毁线程
if(pool->exitNum > 0) {
--pool->exitNum;
if(pool->liveNum > pool->minNum) {//若活着的线程数大于最小线程数，则可以进行销毁
--pool->liveNum;
cout << "threadID: " << pthread_self() << " has exited." << endl;
return;
}
}
}

//判断线程池是否关闭了
if(pool->shutDown) {
cout << "threadID: " << pthread_self() << " has exited." << endl;
return;
}

//从任务队列中取出一个任务
Task task = pool->taskQueue.front();
pool->taskQueue.pop();
++pool->busyNum;

//解锁
poolLock.unlock();

//执行任务
cout << "threadID: " << pthread_self() << " start to work." << endl;
task.func(task.arg);
task.arg = nullptr;

//执行完后，工作线程数-1
cout << "threadID: " << pthread_self() << " stop working." << endl;
--pool->busyNum;
}
}

//管理者线程
void ThreadPool::manager(void* arg) {
ThreadPool* pool = static_cast<ThreadPool*>(arg);
while(!pool->shutDown) {
//每隔3秒检测一次
sleep(3);

//添加新线程
//若任务个数大于活着的线程数，且活着的线程数小于最大线程数
if(pool->GetTaskQueueSize() > pool->liveNum && pool->liveNum < pool->maxNum) {
unique_lock<mutex> poolLock(pool->mutexPool);
poolLock.lock();
int count = 0;
for(int i = 0; i < pool->maxNum && count < ThreadPool::NUMBER && pool->liveNum < pool->maxNum; ++i) {
if(pool->threadIDs[i].get_id() == thread::id()) {
cout << "Create a new thread." << endl;
pool->threadIDs[i] = thread(worker, pool);
++count;
++pool->liveNum;
}
}
poolLock.unlock();
}

//销毁线程
//若忙的线程*2小于存活的线程数，且存活的线程数大于最小的线程数
if(pool->busyNum * 2 < pool->liveNum && pool->liveNum > pool->minNum) {
pool->exitNum = ThreadPool::NUMBER;
for(int i = 0; i < ThreadPool::NUMBER; ++i) {//让工作的线程自杀
pool->cond.notify_all();
}
}
}
}

2.2 测试方法：

将上述文件放在Linux下的一个文件夹（我这里是\Share\study_threadPool\myself）

进入该文件夹：
```
cd /share/study_threadPool/myself/
```

编译：

g++ main.cpp ThreadPool.cpp -o ThreadPool.o -pthread

运行：
```
./ThreadPool.o
```

2.2 C++11相关函数

thread类

ThreadPool.cpp第17行：
```
managerID = thread(manager, this);
```
表示创建一个新线程，
```
manager
```
是该线程执行的函数，
```
this
```
是该线程执行函数的参数。
ThreadPool.cpp第29行：
```
managerID.joinable()
```
判断该线程是否可以join
ThreadPool.cpp第30行：
```
managerID.join()
```
阻塞在该线程，直到其执行完
ThreadPool.cpp第123行：
```
pool->threadIDs[i].get_id()
```
表示获取该线程的ID