基于C++11中threadpool線(xiàn)程池的示例分析

這篇文章給大家分享的是有關(guān)基于C++11中threadpool線(xiàn)程池的示例分析的內(nèi)容。小編覺(jué)得挺實(shí)用的，因此分享給大家做個(gè)參考，一起跟隨小編過(guò)來(lái)看看吧。

C++11 加入了線(xiàn)程庫(kù)，從此告別了標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)不支持并發(fā)的歷史。然而 c++ 對(duì)于多線(xiàn)程的支持還是比較低級(jí)，稍微高級(jí)一點(diǎn)的用法都需要自己去實(shí)現(xiàn)，譬如線(xiàn)程池、信號(hào)量等。線(xiàn)程池(thread pool)這個(gè)東西，在面試上多次被問(wèn)到，一般的回答都是：“管理一個(gè)任務(wù)隊(duì)列，一個(gè)線(xiàn)程隊(duì)列，然后每次取一個(gè)任務(wù)分配給一個(gè)線(xiàn)程去做，循環(huán)往復(fù)?！?貌似沒(méi)有問(wèn)題吧。但是寫(xiě)起程序來(lái)的時(shí)候就出問(wèn)題了。

代碼實(shí)現(xiàn)

#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

//線(xiàn)程池,可以提交變參函數(shù)或拉姆達(dá)表達(dá)式的匿名函數(shù)執(zhí)行,可以獲取執(zhí)行返回值
//不支持類(lèi)成員函數(shù), 支持類(lèi)靜態(tài)成員函數(shù)或全局函數(shù),Opteron()函數(shù)等
class threadpool
{
  using Task = std::function<void()>;
  // 線(xiàn)程池
  std::vector<std::thread> pool;
  // 任務(wù)隊(duì)列
  std::queue<Task> tasks;
  // 同步
  std::mutex m_lock;
  // 條件阻塞
  std::condition_variable cv_task;
  // 是否關(guān)閉提交
  std::atomic<bool> stoped;
  //空閑線(xiàn)程數(shù)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)
    {  //初始化線(xiàn)程數(shù)量
      pool.emplace_back(
        [this]
        { // 工作線(xiàn)程函數(shù)
          while(!this->stoped)
          {
            std::function<void()> task;
            {  // 獲取一個(gè)待執(zhí)行的 task
              std::unique_lock<std::mutex> lock{ this->m_lock };// unique_lock 相比 lock_guard 的好處是：可以隨時(shí) 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()); // 取一個(gè) task
              this->tasks.pop();
            }
            idlThrNum--;
            task();
            idlThrNum++;
          }
        }
      );
    }
  }
  inline ~threadpool()
  {
    stoped.store(true);
    cv_task.notify_all(); // 喚醒所有線(xiàn)程執(zhí)行
    for (std::thread& thread : pool) {
      //thread.detach(); // 讓線(xiàn)程“自生自滅”
      if(thread.joinable())
        thread.join(); // 等待任務(wù)結(jié)束， 前提：線(xiàn)程一定會(huì)執(zhí)行完
    }
  }

public:
  // 提交一個(gè)任務(wù)
  // 調(diào)用.get()獲取返回值會(huì)等待任務(wù)執(zhí)行完,獲取返回值
  // 有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)調(diào)用類(lèi)成員，
  // 一種是使用  bind： .commit(std::bind(&Dog::sayHello, &dog));
  // 一種是用 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, 函數(shù) f 的返回值類(lèi)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();
    {  // 添加任務(wù)到隊(duì)列
      std::lock_guard<std::mutex> lock{ m_lock };//對(duì)當(dāng)前塊的語(yǔ)句加鎖 lock_guard 是 mutex 的 stack 封裝類(lèi)，構(gòu)造的時(shí)候 lock()，析構(gòu)的時(shí)候 unlock()
      tasks.emplace(
        [task]()
        { // push(Task{...})
          (*task)();
        }
      );
    }
    cv_task.notify_one(); // 喚醒一個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行

    return future;
  }

  //空閑線(xiàn)程數(shù)量
  int idlCount() { return idlThrNum; }

};

}

#endif

代碼不多吧,上百行代碼就完成了 線(xiàn)程池, 并且, 看看 commit, 哈, 不是固定參數(shù)的, 無(wú)參數(shù)數(shù)量限制! 這得益于可變參數(shù)模板.

怎么使用?

看下面代碼(展開(kāi)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) {  //函數(shù)必須是 static 的才能直接使用線(xiàn)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提示錯(cuò)誤,但可以編譯運(yùn)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(); //調(diào)用.get()獲取返回值會(huì)等待線(xiàn)程執(zhí)行完,獲取返回值
    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();  //調(diào)用.get()獲取返回值會(huì)等待線(xiàn)程執(zhí)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;
}

為了避嫌，先進(jìn)行一下版權(quán)說(shuō)明：代碼是 me “寫(xiě)”的，但是思路來(lái)自 Internet， 特別是這個(gè)線(xiàn)程池實(shí)現(xiàn)(基本 copy 了這個(gè)實(shí)現(xiàn),加上這位同學(xué)的實(shí)現(xiàn)和解釋?zhuān)脰|西值得 copy ! 然后綜合更改了下,更加簡(jiǎn)潔)。

實(shí)現(xiàn)原理

接著前面的廢話(huà)說(shuō)?！肮芾硪粋€(gè)任務(wù)隊(duì)列，一個(gè)線(xiàn)程隊(duì)列，然后每次取一個(gè)任務(wù)分配給一個(gè)線(xiàn)程去做，循環(huán)往復(fù)。” 這個(gè)思路有神馬問(wèn)題？線(xiàn)程池一般要復(fù)用線(xiàn)程，所以如果是取一個(gè) task 分配給某一個(gè) thread，執(zhí)行完之后再重新分配，在語(yǔ)言層面基本都是不支持的：一般語(yǔ)言的 thread 都是執(zhí)行一個(gè)固定的 task 函數(shù)，執(zhí)行完畢線(xiàn)程也就結(jié)束了(至少 c++ 是這樣)。so 要如何實(shí)現(xiàn) task 和 thread 的分配呢？

讓每一個(gè) thread 都去執(zhí)行調(diào)度函數(shù)：循環(huán)獲取一個(gè) task，然后執(zhí)行之。

idea 是不是很贊！保證了 thread 函數(shù)的唯一性，而且復(fù)用線(xiàn)程執(zhí)行 task 。

即使理解了 idea，代碼還是需要詳細(xì)解釋一下的。

1、一個(gè)線(xiàn)程 pool，一個(gè)任務(wù)隊(duì)列 queue ，應(yīng)該沒(méi)有意見(jiàn)；
2、任務(wù)隊(duì)列是典型的生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型，本模型至少需要兩個(gè)工具：一個(gè) mutex + 一個(gè)條件變量，或是一個(gè) mutex + 一個(gè)信號(hào)量。mutex 實(shí)際上就是鎖，保證任務(wù)的添加和移除(獲取)的互斥性，一個(gè)條件變量是保證獲取 task 的同步性：一個(gè) empty 的隊(duì)列，線(xiàn)程應(yīng)該等待(阻塞)；
3、atomic<bool> 本身是原子類(lèi)型，從名字上就懂：它們的操作 load()/store() 是原子操作，所以不需要再加 mutex。

c++語(yǔ)言細(xì)節(jié)

即使懂原理也不代表能寫(xiě)出程序，上面用了眾多c++11的“奇技淫巧”，下面簡(jiǎn)單描述之。

1. using Task = function<void()> 是類(lèi)型別名，簡(jiǎn)化了 typedef 的用法。function<void()> 可以認(rèn)為是一個(gè)函數(shù)類(lèi)型，接受任意原型是 void() 的函數(shù)，或是函數(shù)對(duì)象，或是匿名函數(shù)。void() 意思是不帶參數(shù)，沒(méi)有返回值。

2. pool.emplace_back([this]{...}) 和 pool.push_back([this]{...}) 功能一樣，只不過(guò)前者性能會(huì)更好；

3. pool.emplace_back([this]{...}) 是構(gòu)造了一個(gè)線(xiàn)程對(duì)象，執(zhí)行函數(shù)是拉姆達(dá)匿名函數(shù) ；

4. 所有對(duì)象的初始化方式均采用了 {}，而不再使用 () 方式，因?yàn)轱L(fēng)格不夠一致且容易出錯(cuò)；

5. 匿名函數(shù)： [this]{...} 不多說(shuō)。[] 是捕捉器，this 是引用域外的變量 this指針， 內(nèi)部使用死循環(huán), 由cv_task.wait(lock,[this]{...}) 來(lái)阻塞線(xiàn)程；

6. delctype(expr) 用來(lái)推斷 expr 的類(lèi)型，和 auto 是類(lèi)似的，相當(dāng)于類(lèi)型占位符，占據(jù)一個(gè)類(lèi)型的位置；auto f(A a, B b) -> decltype(a+b) 是一種用法，不能寫(xiě)作 decltype(a+b) f(A a, B b)，為啥？！ c++ 就是這么規(guī)定的！

7. commit 方法是不是略奇葩！可以帶任意多的參數(shù)，第一個(gè)參數(shù)是 f，后面依次是函數(shù) f 的參數(shù)！(注意:參數(shù)要傳struct/class的話(huà),建議用pointer,小心變量的作用域) 可變參數(shù)模板是 c++11 的一大亮點(diǎn)，夠亮！至于為什么是 Arg... 和 arg... ，因?yàn)橐?guī)定就是這么用的！

8. commit 直接使用只能調(diào)用stdcall函數(shù)，但有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)調(diào)用類(lèi)成員，一種是使用   bind： .commit(std::bind(&Dog::sayHello, &dog))； 一種是用 mem_fn： .commit(std::mem_fn(&Dog::sayHello), &dog)；

9. make_shared 用來(lái)構(gòu)造 shared_ptr 智能指針。用法大體是 shared_ptr<int> p = make_shared<int>(4) 然后 *p == 4 。智能指針的好處就是， 自動(dòng) delete ！

10. bind 函數(shù)，接受函數(shù) f 和部分參數(shù)，返回currying后的匿名函數(shù)，譬如 bind(add, 4) 可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似 add4 的函數(shù)！

11. forward() 函數(shù)，類(lèi)似于 move() 函數(shù)，后者是將參數(shù)右值化，前者是... 腫么說(shuō)呢？大概意思就是：不改變最初傳入的類(lèi)型的引用類(lèi)型(左值還是左值，右值還是右值)；

12. packaged_task 就是任務(wù)函數(shù)的封裝類(lèi)，通過(guò) get_future 獲取 future ， 然后通過(guò) future 可以獲取函數(shù)的返回值(future.get())；packaged_task 本身可以像函數(shù)一樣調(diào)用 () ；

13. queue 是隊(duì)列類(lèi)， front() 獲取頭部元素， pop() 移除頭部元素；back() 獲取尾部元素，push() 尾部添加元素；

14. lock_guard 是 mutex 的 stack 封裝類(lèi)，構(gòu)造的時(shí)候 lock()，析構(gòu)的時(shí)候 unlock()，是 c++ RAII 的 idea；

15. condition_variable cv; 條件變量， 需要配合 unique_lock 使用；unique_lock 相比 lock_guard 的好處是：可以隨時(shí) unlock() 和 lock()。 cv.wait() 之前需要持有 mutex，wait 本身會(huì) unlock() mutex，如果條件滿(mǎn)足則會(huì)重新持有 mutex。

16. 最后線(xiàn)程池析構(gòu)的時(shí)候,join() 可以等待任務(wù)都執(zhí)行完在結(jié)束,很安全!

感謝各位的閱讀！關(guān)于“基于C++11中threadpool線(xiàn)程池的示例分析”這篇文章就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對(duì)大家有一定的幫助，讓大家可以學(xué)到更多知識(shí)，如果覺(jué)得文章不錯(cuò)，可以把它分享出去讓更多的人看到吧！