基于C++11的线程池,简洁且可以带任意多的参数

咳咳。C++11 加入了线程库，从此告别了标准库不支持并发的历史。然而 c++ 对于多线程的支持还是比较低级，稍微高级一点的用法都需要自己去实现，譬如线程池、信号量等。线程池(thread pool)这个东西，在面试上多次被问到，一般的回答都是：“管理一个任务队列，一个线程队列，然后每次取一个任务分配给一个线程去做，循环往复。” 貌似没有问题吧。但是写起程序来的时候就出问题了。

废话不多说，先上实现，然后再啰嗦。(dont talk, show me ur code !)

代码实现

  1 #pragma once
  2 #ifndef THREAD_POOL_H
  3 #define THREAD_POOL_H
  4 
  5 #include <vector>
  6 #include <queue>
  7 #include <thread>
  8 #include <atomic>
  9 #include <condition_variable>
 10 #include <future>
 11 #include <functional>
 12 #include <stdexcept>
 13 
 14 namespace std
 15 {
 16 #define  MAX_THREAD_NUM 256
 17 
 18 //线程池,可以提交变参函数或拉姆达表达式的匿名函数执行,可以获取执行返回值
 19 //不支持类成员函数, 支持类静态成员函数或全局函数,Opteron()函数等
 20 class threadpool
 21 {
 22     using Task = std::function<void()>;
 23     // 线程池
 24     std::vector<std::thread> pool;
 25     // 任务队列
 26     std::queue<Task> tasks;
 27     // 同步
 28     std::mutex m_lock;
 29     // 条件阻塞
 30     std::condition_variable cv_task;
 31     // 是否关闭提交
 32     std::atomic<bool> stoped;
 33     //空闲线程数量
 34     std::atomic<int>  idlThrNum;
 35 
 36 public:
 37     inline threadpool(unsigned short size = 4) :stoped{ false }
 38     {
 39         idlThrNum = size < 1 ? 1 : size;
 40         for (size = 0; size < idlThrNum; ++size)
 41         {   //初始化线程数量
 42             pool.emplace_back(
 43                 [this]
 44                 { // 工作线程函数
 45                     for (;;)
 46                     {
 47                         std::function<void()> task;
 48                         {   // 获取一个待执行的 task
 49                             std::unique_lock<std::mutex> lock{ this->m_lock };// unique_lock 相比 lock_guard 的好处是：可以随时 unlock() 和 lock()
 50                             this->cv_task.wait(lock,
 51                                 [this] {
 52                                     return this->stoped.load() || !this->tasks.empty();
 53                                 }
 54                             ); // wait 直到有 task
 55                             if (this->stoped && this->tasks.empty())
 56                                 return;
 57                             task = std::move(this->tasks.front()); // 取一个 task
 58                             this->tasks.pop();
 59                         }
 60                         idlThrNum--;
 61                         task();
 62                         idlThrNum++;
 63                     }
 64                 }
 65             );
 66         }
 67     }
 68     inline ~threadpool()
 69     {
 70         stoped.store(true);
 71         cv_task.notify_all(); // 唤醒所有线程执行
 72         for (std::thread& thread : pool) {
 73             //thread.detach(); // 让线程“自生自灭”
 74             if(thread.joinable())
 75                 thread.join(); // 等待任务结束， 前提：线程一定会执行完
 76         }
 77     }
 78 
 79 public:
 80     // 提交一个任务
 81     // 调用.get()获取返回值会等待任务执行完,获取返回值
 82     // 有两种方法可以实现调用类成员，
 83     // 一种是使用   bind： .commit(std::bind(&Dog::sayHello, &dog));
 84     // 一种是用 mem_fn： .commit(std::mem_fn(&Dog::sayHello), &dog)
 85     template<class F, class... Args>
 86     auto commit(F&& f, Args&&... args) ->std::future<decltype(f(args...))>
 87     {
 88         if (stoped.load())    // stop == true ??
 89             throw std::runtime_error("commit on ThreadPool is stopped.");
 90 
 91         using RetType = decltype(f(args...)); // typename std::result_of<F(Args...)>::type, 函数 f 的返回值类型
 92         auto task = std::make_shared<std::packaged_task<RetType()> >(
 93             std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...)
 94             );    // wtf !
 95         std::future<RetType> future = task->get_future();
 96         {    // 添加任务到队列
 97             std::lock_guard<std::mutex> lock{ m_lock };//对当前块的语句加锁  lock_guard 是 mutex 的 stack 封装类，构造的时候 lock()，析构的时候 unlock()
 98             tasks.emplace(
 99                 [task]()
100                 { // push(Task{...})
101                     (*task)();
102                 }
103             );
104         }
105         cv_task.notify_one(); // 唤醒一个线程执行
106 
107         return future;
108     }
109 
110     //空闲线程数量
111     int idlCount() { return idlThrNum; }
112 
113 };
114 
115 }
116 
117 #endif

 

代码不多吧,上百行代码就完成了 线程池, 并且, 看看 commit,  哈,  不是固定参数的, 无参数数量限制!  这得益于可变参数模板.

怎么使用?  看下面代码(展开查看)

 1 #include "threadpool.h"
 2 #include <iostream>
 3 
 4 void fun1(int slp)
 5 {
 6     printf("  hello, fun1 !  %d
" ,std::this_thread::get_id());
 7     if (slp>0) {
 8         printf(" ======= fun1 sleep %d  =========  %d
",slp, std::this_thread::get_id());
 9         std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(slp));
10     }
11 }
12 
13 struct gfun {
14     int operator()(int n) {
15         printf("%d  hello, gfun !  %d
" ,n, std::this_thread::get_id() );
16         return 42;
17     }
18 };
19 
20 class A { 
21 public:
22     static int Afun(int n = 0) {   //函数必须是 static 的才能直接使用线程池
23         std::cout << n << "  hello, Afun !  " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
24         return n;
25     }
26 
27     static std::string Bfun(int n, std::string str, char c) {
28         std::cout << n << "  hello, Bfun !  "<< str.c_str() <<"  " << (int)c <<"  " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
29         return str;
30     }
31 };
32 
33 int main()
34     try {
35         std::threadpool executor{ 50 };
36         A a;
37         std::future<void> ff = executor.commit(fun1,0);
38         std::future<int> fg = executor.commit(gfun{},0);
39         std::future<int> gg = executor.commit(a.Afun, 9999); //IDE提示错误,但可以编译运行
40         std::future<std::string> gh = executor.commit(A::Bfun, 9998,"mult args", 123);
41         std::future<std::string> fh = executor.commit([]()->std::string { std::cout << "hello, fh !  " << std::this_thread::get_id() << std::endl; return "hello,fh ret !"; });
42 
43         std::cout << " =======  sleep ========= " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
44         std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(900));
45 
46         for (int i = 0; i < 50; i++) {
47             executor.commit(fun1,i*100 );
48         }
49         std::cout << " =======  commit all ========= " << std::this_thread::get_id()<< " idlsize="<<executor.idlCount() << std::endl;
50 
51         std::cout << " =======  sleep ========= " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
52         std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));
53 
54         ff.get(); //调用.get()获取返回值会等待线程执行完,获取返回值
55         std::cout << fg.get() << "  " << fh.get().c_str()<< "  " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
56 
57         std::cout << " =======  sleep ========= " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
58         std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));
59 
60         std::cout << " =======  fun1,55 ========= " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
61         executor.commit(fun1,55).get();    //调用.get()获取返回值会等待线程执行完
62 
63         std::cout << "end... " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
64 
65 
66         std::threadpool pool(4);
67         std::vector< std::future<int> > results;
68 
69         for (int i = 0; i < 8; ++i) {
70             results.emplace_back(
71                 pool.commit([i] {
72                     std::cout << "hello " << i << std::endl;
73                     std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
74                     std::cout << "world " << i << std::endl;
75                     return i*i;
76                 })
77             );
78         }
79         std::cout << " =======  commit all2 ========= " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
80 
81         for (auto && result : results)
82             std::cout << result.get() << ' ';
83         std::cout << std::endl;
84         return 0;
85     }
86 catch (std::exception& e) {
87     std::cout << "some unhappy happened...  " << std::this_thread::get_id() << e.what() << std::endl;
88 }

 

View Code

为了避嫌，先进行一下版权说明：代码是 me “写”的，但是思路来自 Internet， 特别是这个线程池实现(基本 copy 了这个实现,加上这位同学的实现和解释，好东西值得 copy ! 然后综合更改了下,更加简洁)。

实现原理

接着前面的废话说。“管理一个任务队列，一个线程队列，然后每次取一个任务分配给一个线程去做，循环往复。” 这个思路有神马问题？线程池一般要复用线程，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，在语言层面基本都是不支持的：一般语言的 thread 都是执行一个固定的 task 函数，执行完毕线程也就结束了(至少 c++ 是这样)。so 要如何实现 task 和 thread 的分配呢？

让每一个 thread 都去执行调度函数：循环获取一个 task，然后执行之。

idea 是不是很赞！保证了 thread 函数的唯一性，而且复用线程执行 task 。

即使理解了 idea，代码还是需要详细解释一下的。

1. 一个线程 pool，一个任务队列 queue ，应该没有意见；
2. 任务队列是典型的生产者-消费者模型，本模型至少需要两个工具：一个 mutex + 一个条件变量，或是一个 mutex + 一个信号量。mutex 实际上就是锁，保证任务的添加和移除(获取)的互斥性，一个条件变量是保证获取 task 的同步性：一个 empty 的队列，线程应该等待(阻塞)；
3. atomic<bool> 本身是原子类型，从名字上就懂：它们的操作 load()/store() 是原子操作，所以不需要再加 mutex。

c++语言细节

即使懂原理也不代表能写出程序，上面用了众多c++11的“奇技淫巧”，下面简单描述之。

1. using Task = function<void()> 是类型别名，简化了 typedef 的用法。function<void()> 可以认为是一个函数类型，接受任意原型是 void() 的函数，或是函数对象，或是匿名函数。void() 意思是不带参数，没有返回值。
2. pool.emplace_back([this]{...}) 和 pool.push_back([this]{...}) 功能一样，只不过前者性能会更好；
3. pool.emplace_back([this]{...}) 是构造了一个线程对象，执行函数是拉姆达匿名函数 ；
4. 所有对象的初始化方式均采用了 {}，而不再使用 () 方式，因为风格不够一致且容易出错；
5. 匿名函数： [this]{...} 不多说。[] 是捕捉器，this 是引用域外的变量 this指针， 内部使用死循环, 由cv_task.wait(lock,[this]{...}) 来阻塞线程；
6. delctype(expr) 用来推断 expr 的类型，和 auto 是类似的，相当于类型占位符，占据一个类型的位置；auto f(A a, B b) -> decltype(a+b) 是一种用法，不能写作 decltype(a+b) f(A a, B b)，为啥？！ c++ 就是这么规定的！
7. commit 方法是不是略奇葩！可以带任意多的参数，第一个参数是 f，后面依次是函数 f 的参数！ 可变参数模板是 c++11 的一大亮点，够亮！至于为什么是 Arg... 和 arg... ，因为规定就是这么用的！
8. commit 直接使用智能调用stdcall函数，但有两种方法可以实现调用类成员，一种是使用   bind： .commit(std::bind(&Dog::sayHello, &dog))； 一种是用 mem_fn： .commit(std::mem_fn(&Dog::sayHello), &dog)；
9. make_shared 用来构造 shared_ptr 智能指针。用法大体是 shared_ptr<int> p = make_shared<int>(4) 然后 *p == 4 。智能指针的好处就是， 自动 delete ！
10. bind 函数，接受函数 f 和部分参数，返回currying后的匿名函数，譬如 bind(add, 4) 可以实现类似 add4 的函数！
11. forward() 函数，类似于 move() 函数，后者是将参数右值化，前者是... 肿么说呢？大概意思就是：不改变最初传入的类型的引用类型(左值还是左值，右值还是右值)；
12. packaged_task 就是任务函数的封装类，通过 get_future 获取 future ， 然后通过 future 可以获取函数的返回值(future.get())；packaged_task 本身可以像函数一样调用 () ；
13. queue 是队列类， front() 获取头部元素， pop() 移除头部元素；back() 获取尾部元素，push() 尾部添加元素；
14. lock_guard 是 mutex 的 stack 封装类，构造的时候 lock()，析构的时候 unlock()，是 c++ RAII 的 idea；
15. condition_variable cv; 条件变量， 需要配合 unique_lock 使用；unique_lock 相比 lock_guard 的好处是：可以随时 unlock() 和 lock()。 cv.wait() 之前需要持有 mutex，wait 本身会 unlock() mutex，如果条件满足则会重新持有 mutex。
16. 最后线程池析构的时候,join() 可以等待任务都执行完在结束,很安全!

[copy right from url: http://blog.csdn.net/zdarks/article/details/46994607, https://github.com/progschj/ThreadPool/blob/master/ThreadPool.h]