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louyu 1 год назад
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## 基于C++11 实现线程池

**项目描述：**

1. 基于可变参模板编程和引用折叠原理，实现线程池submitTask接口，支持任意任务函数和任意参数的传递；
2. 使用future类型定制submitTask提交任务的返回值；
3. 使用map和queue容器管理线程对象和任务；
4. 基于条件变量condition_variable和互斥锁mutex实现任务提交线程和任务执行线程间的通信机制；
5. 支持fixed和cached模式的线程池定制。

**使用示例：**

```c++
#include <iostream>
#include <future>
#include "ThreadPool.h" // 引入头文件

using namespace std;

int sum1(int a, int b) {
return a + b;
}

int main() {
ThreadPool pool; // 定义线程池对象
pool.start(); // 启动线程池
future<int> res = pool.submitTask(sum1, 10, 20); // 提交异步任务

cout << res.get() << endl; // 打印结果

return 0;
}
```
更多进阶用法详见头文件中的注释说明。

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ThreadPool.h Просмотреть файл

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//
// Created by louyu on 2023/6/12.
//

#ifndef THREADPOOL_FINAL_THREADPOOL_H
#define THREADPOOL_FINAL_THREADPOOL_H

#include <vector>
#include <queue>
#include <memory>
#include <atomic>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <functional>
#include <unordered_map>
#include <thread>
#include <future>
#include <iostream>

const int TASK_MAX_THRESHOLD = 1024;
const int THREAD_MAX_THRESHOLD = 10;
const int THREAD_MAX_IDLE_TIME = 60; // 单位秒

// 线程池支持的模式
enum class PoolMode {
MODE_FIXED, // 固定数量线程
MODE_CACHED, // 线程数量可动态增长
};

class Thread {
public:
using ThreadFunc = std::function<void(int)>;
Thread(ThreadFunc func): func_(func), threadId_(generateId_ ++) {

}

~Thread() = default;

void start() { // 启动线程
std::thread t(func_, threadId_); // 创建一个线程执行一个线程函数
t.detach(); // 设置分离线程，否则出作用域后线程对象销毁，线程函数也会中止
}

unsigned getId() const {
return threadId_;
}
private:
ThreadFunc func_;
static unsigned generateId_;
unsigned threadId_; // 线程id，会在线程池对象中建立id与线程对象的映射关系
};

unsigned Thread::generateId_ = 0;

// 线程池类型
class ThreadPool {
public:
ThreadPool()
: initThreadSize_(0)
, taskSize_(0)
, idleThreadSize_(0)
, curThreadSize_(0)
, taskQueMaxThreshold_(TASK_MAX_THRESHOLD)
, threadSizeThreshold_(THREAD_MAX_THRESHOLD)
, poolMode_(PoolMode::MODE_FIXED)
, isPoolRunning_(false) {

}
~ThreadPool() {
isPoolRunning_ = false;

// 等待线程池中所有的线程返回
std::unique_lock<std::mutex> lock(taskQueMtx_);
notEmpty_.notify_all(); // 线程池对象析构前，唤醒所有被阻塞的线程以返回结果
exitCond_.wait(lock, [&]() {return threads_.empty();});
}

void setMode(PoolMode mode) { // 设置线程池的工作模式
if(checkRunningState()) { // 若线程池已经在运行，禁止修改线程池模式
return;
}
poolMode_ = mode;
}

void setTaskQueMaxThreshold(unsigned threshold) { // 设置task任务队列任务上限
if(checkRunningState()) {
return;
}
if(poolMode_ == PoolMode::MODE_CACHED) {
taskQueMaxThreshold_ = threshold;
}
}

void setThreadSizeThreshold(unsigned threshold) { // 设置线程池cached模式下线程阈值
if(checkRunningState()) {
return;
}
threadSizeThreshold_ = threshold;
}

// 使用可变参模版编程，使得submitTask可以接收任意任务函数与任意数量的参数
// pool.submitTask(sum, 10, 20);
// decltype可以根据括号内的表达式推导类型
template<class Func, class ...Args>
auto submitTask(Func &&func, Args &&...args) -> std::future<decltype(func(args...))> {
// 打包任务，放入任务队列
using RType = decltype(func(args...));
auto task = std::make_shared<std::packaged_task<RType()>>(
std::bind(std::forward<Func>(func), std::forward<Args>(args)...));
std::future<RType> result = task->get_future();

// 获取锁，任务队列不是线程安全的
std::unique_lock<std::mutex> lock(taskQueMtx_); // unique_lock构造同时会获取锁

// 用条件变量等待任务队列有空余，wait一直等待直到后续条件满足 wait_for等待指定时间段 wait_until等待到某时间节点
// 用户提交任务，最长阻塞不能超过1s，否则判断提交任务失败，返回
if(!notFull_.wait_for(lock, std::chrono::seconds(1), [&]() { return taskQue_.size() < taskQueMaxThreshold_; })) {// 不满足lambda表达式条件时wait，释放锁
// 若等待1s条件依然不满足，提交任务失败
std::cerr << "task queue is full, submit task fail." << std::endl;
auto emptyTask = std::make_shared<std::packaged_task<RType()>>( // 任务提交失败，运行一个空任务
[]() -> RType {return RType();});
(*emptyTask)(); // 执行空任务，否则主线程调用future.get()会死锁
return emptyTask->get_future();
}

// 若有空余，将任务放入任务队列中
// using Task = std::function<void()>;
// 如何将一个带返回值的线程函数封装到std::function<void()>中，用lambda表达式
taskQue_.emplace([task]() {
(*task)();
});
taskSize_ ++;

// 新放入任务，任务队列必然不空，notEmpty_通知
notEmpty_.notify_all();

// cached模式任务处理较为紧急，适合小且快的任务多场景，需要根据任务数量和空闲线程的数量，决定是否动态扩充线程数
if(poolMode_ == PoolMode::MODE_CACHED
&& taskSize_ > idleThreadSize_
&& curThreadSize_ < threadSizeThreshold_) {
// 创建新线程
auto ptr = std::make_unique<Thread>(std::bind(&ThreadPool::threadFunc, this, std::placeholders::_1));
unsigned threadId = ptr->getId();
threads_.emplace(threadId, std::move(ptr)); // unique_ptr拷贝构造被删除，要强转右值
threads_[threadId]->start(); // 启动线程

// 修改线程个数相关变量
curThreadSize_ ++;
idleThreadSize_ ++;
}

// 返回Result对象
return result;
}

void start(unsigned initThreadSize = std::thread::hardware_concurrency()) { // 开启线程池，默认开启cpu核心数个线程
isPoolRunning_ = true; // 设置线程池启动状态

initThreadSize_ = initThreadSize; // 初始化初始线程个数
curThreadSize_ = initThreadSize;

// 创建线程对象
for(int i = 0; i < initThreadSize_; i ++) {
auto ptr = std::make_unique<Thread>(std::bind(&ThreadPool::threadFunc, this, std::placeholders::_1));
unsigned threadId = ptr->getId();
threads_.emplace(threadId, std::move(ptr)); // unique_ptr拷贝构造被删除，要强转右值
}

// 启动所有线程
for(int i = 0; i < initThreadSize_; i ++) {
threads_[i]->start();
idleThreadSize_ ++; // 记录初始线程的数量
}
}

ThreadPool(const ThreadPool&) = delete;
ThreadPool& operator=(const ThreadPool&) = delete;
private:
void threadFunc(unsigned threadId) { // 定义线程函数
auto lastTime = std::chrono::high_resolution_clock().now(); // 记录该线程调度时间的变量

for(;;) {
Task task;
{
// 先获取锁
std::unique_lock<std::mutex> lock(taskQueMtx_);

// 当任务队列中有任务的时候，不论线程池是否要析构，先要把任务做完
while(taskQue_.empty()) { // 任务队列为空时

if(!isPoolRunning_) { // 唤醒后如果线程池要析构了，那么停止线程执行
threads_.erase(threadId); // 线程结束前把线程对象从线程列表容器中删除
exitCond_.notify_all(); // 通知线程池的析构函数，有线程析构
return;
}

// 否则，需要等待任务到来

// cached模式下，有可能需要回收之前创建的线程，即超过initThreadSize_数量的线程要进行回收
// 当前时间 - 上一次线程执行时间 > 60s
if(poolMode_ == PoolMode::MODE_CACHED) {
if(std::cv_status::timeout == notEmpty_.wait_for(lock, std::chrono::seconds(1))) { // 条件变量超时返回
auto now = std::chrono::high_resolution_clock().now();
auto dur = std::chrono::duration_cast<std::chrono::seconds>(now - lastTime);
if(dur.count() >= THREAD_MAX_IDLE_TIME && curThreadSize_ > initThreadSize_) {
// 开始回收线程
threads_.erase(threadId); // 把线程对象从线程列表容器中删除

// 记录线程数量的相关变量的值修改
curThreadSize_ --;
idleThreadSize_ --;

return;
}
}
} else { // fixed模式
// 等待notEmpty_条件
notEmpty_.wait(lock);
}
}

idleThreadSize_ --; // 空闲线程--

// 从任务队列取一个任务
task = taskQue_.front();
taskQue_.pop();
taskSize_ --;

// 如果依然有剩余任务，继续通知其它线程执行任务
if(!taskQue_.empty()) {
notEmpty_.notify_all();
}

// 取出任务后必然不满，通知可以继续提交任务
notFull_.notify_all();
} // 释放锁，不能执行任务的时候还占着锁

// 当前线程负责执行这个任务
if(task != nullptr) {
task(); // 执行任务function<void()>
}
idleThreadSize_ ++; // 任务执行完，空闲线程数量增加
lastTime = std::chrono::high_resolution_clock().now(); // 更新该线程被调度执行完的时间
}
}

bool checkRunningState() const {
return isPoolRunning_;
}
private:
std::unordered_map<unsigned, std::unique_ptr<Thread>> threads_; // 线程列表
unsigned initThreadSize_; // 初始线程数量
std::atomic<unsigned int> curThreadSize_; // 记录当前线程池中线程总数量
std::atomic<unsigned int> idleThreadSize_; // 记录空闲线程的数量
unsigned threadSizeThreshold_; // 线程数量上限阈值

// 这里队列里不能存裸指针，避免用户传入一个临时对象，使用智能指针延长外部传进来对象的生命周期
using Task = std::function<void()>;
std::queue<Task> taskQue_; // 任务队列
std::atomic<unsigned int> taskSize_; // 任务队列任务数，用原子变量保证原子性
unsigned taskQueMaxThreshold_; // 任务队列任务数上限

std::mutex taskQueMtx_; // 保证任务队列的线程安全
std::condition_variable notFull_; // 任务队列不满
std::condition_variable notEmpty_; // 任务队列不空
std::condition_variable exitCond_; // 等待线程资源全部回收

PoolMode poolMode_; // 当前线程池的工作模式
std::atomic<bool> isPoolRunning_; // 表示当前线程池的启动状态
};

#endif //THREADPOOL_FINAL_THREADPOOL_H

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@@ -0,0 +1,19 @@
#include <iostream>
#include <future>
#include "ThreadPool.h"

using namespace std;

int sum1(int a, int b) {
return a + b;
}

int main() {
ThreadPool pool;
pool.start();
future<int> res = pool.submitTask(sum1, 10, 20);

cout << res.get() << endl;

return 0;
}

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