0.為什么需要線程池滨巴？
當(dāng)我們需要完成一些持續(xù)時間短、發(fā)生頻率高的工作時，每次為他們開啟一個線程既顯得繁瑣又會造成不必要的開銷夭咬，所以為這一類工作寫一個簡單的線程池就很有必要了。
1.如何設(shè)計我們的線程池铆隘？
考慮這樣一個應(yīng)用場景卓舵，我們有一個設(shè)計軟件，當(dāng)我們需要下載一些模板用作接下來的設(shè)計工作膀钠。我們顯然不能將下載工作放在主線程去完成掏湾，如果你的用戶網(wǎng)絡(luò)速度飛快還好說，一旦他的網(wǎng)絡(luò)稍有波動肿嘲，你的設(shè)計軟件將會停止GUI界面的渲染融击，卡在那邊不懂，這顯然不是好的體驗雳窟。正確的做法是另外開啟一個線程去下載尊浪，一旦這個下載工作完成后，我們可以通知主線程去做一個提示，例如彈出一個對話框告訴用戶模板已經(jīng)可以用了拇涤。
如果這個設(shè)計軟件需要頻繁的做下載工作捣作，那么每次單開一個線程就比較麻煩。我們可以將下載任務(wù)打包好工育，一個一個的推送到隊列中虾宇，由線程池自動從隊列中獲取任務(wù)，完成下載工作如绸。當(dāng)隊列為空時嘱朽，線程池里面的線程就進入等待狀態(tài)，這也不會造成資源的占用怔接。
2.先完成隊列的設(shè)計
STL中提供了一個關(guān)于隊列的實現(xiàn)std::queue搪泳，但是std::queue并不是線程安全的，我們需要在此基礎(chǔ)上進行一些包裝扼脐，讓它在多線程的情況下也可以使用岸军。
我們的隊列需要擁有這幾個功能：
1.從隊列里彈出一個任務(wù)
2.向隊列里推送任務(wù)
3.了解隊列里的任務(wù)還有多少個
4.清除任務(wù)隊列
下面是一個簡單的線程安全隊列：
namespace multi_thread {
template<typename Task>
class thread_safe_queue {
public:
thread_safe_queue() :done_(false) {
}
void push(const Task& t) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx_);
queue_.push(t);
ready_.notify_one();
}
void wait_and_pop(Task& t) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx_);
if (queue_.empty() && !done_)
ready_.wait(lock);
if (done_)
return;
t = queue_.front();
queue_.pop();
}
bool empty()const {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx_);
return queue_.empty();
}
void clear() {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx_);
for (int i = 0; i < queue_.size(); ++i)
queue_.pop();
}
void done() {
done_ = true;
ready_.notify_all();
}
private:
std::queue<Task> queue_;
mutable std::mutex mtx_;
std::condition_variable ready_;
std::atomic_bool done_;
};
}
簡單講解一下：
我們的線程安全隊列thread_safe_queue遵循了STL的命名規(guī)范组力，對于任意容器猴誊，他們的判斷為空的函數(shù)簽名都是bool empty()const;，清除容器中的內(nèi)容的都為void clear()提佣。對于推入任務(wù)的函數(shù)肚吏，我們跟std::queue保持了一致方妖，而彈出函數(shù)的命名我們做了一些改變，與函數(shù)的操作更加切合罚攀，表示對std::queue::pop()的一種擴展党觅。
這里我們采用了std::mutex作為我們的互斥量，每次訪問隊列中的內(nèi)容時斋泄，都用std::lock_guard或者std::unique_lock加鎖杯瞻，保證在同一時段只有一個線程可以讀寫隊列。std::lock_guard是一個方便的RAII的體現(xiàn)炫掐，他會在析構(gòu)時自動調(diào)用unlock()魁莉，std::unique_lock與之的區(qū)別就是，你可以顯式調(diào)用unlock()函數(shù)完成解鎖募胃，它更加的靈活沛厨，當(dāng)然你可以用{}和std::lock_guard完成相同的工作。我們將std::mutex_設(shè)計成mutable摔认，是因為我們需要在const member functionempty()中使用它逆皮。
在push函數(shù)中，每次完成push后就調(diào)用std::conditional_variable::notify_one()來喚醒一個處于等待狀態(tài)的線程参袱，通知他隊列中已經(jīng)有任務(wù)了电谣，可以開始彈出了秽梅。在對應(yīng)了wait_and_pop函數(shù)中，同樣有一個std::conditional_variable::wait()剿牺，這個函數(shù)可以傳入一個或者兩個參數(shù)企垦，第一個參數(shù)表示要釋放的鎖，第二個函數(shù)是一個predicate晒来，不接受參數(shù)钞诡，返回值為bool。他會在調(diào)用wait時首先調(diào)用這個predicate湃崩，如果值是true荧降，那么就會重新獲得鎖并繼續(xù)向下執(zhí)行，如果值是false攒读，他會釋放鎖并且進入等待狀態(tài)朵诫，直到接收到前面所說的喚醒通知，他才會重新檢查predicate并做前述操作薄扁。這里我們沒有使用predicate剪返，僅使用了簡單的版本，他會在接收到喚醒通知時直接向下執(zhí)行邓梅。
再來看最后一個變量std::atomic_bool脱盲，它是標(biāo)準(zhǔn)庫提供的一個原子類型，在訪問時標(biāo)準(zhǔn)保證在同一時刻只有一個線程在讀寫他日缨。原子類型是不可拷貝且不可移動的钱反，所以我們不能對他進行類內(nèi)初始化，這會調(diào)用copy constructor殿遂，正確的方法是使用constructor initializer list進行初始化诈铛，當(dāng)然你也可以在構(gòu)造函數(shù)體內(nèi)使用賦值運算符給其賦上一個值乙各，但是請務(wù)必在這兩個中間選擇一個墨礁。回到代碼耳峦，這個變量的作用很簡單恩静，就是讓彈出的函數(shù)wait_and_pop直接結(jié)束，我們只有在需要析構(gòu)這個線程池時才會這么做蹲坷，具體做法在線程池中細說驶乾。
3.完成線程池的設(shè)計
在啟用線程池時，我們需要指定在線程池中存放的線程的數(shù)量循签，當(dāng)然我們也可以在后續(xù)為線程池添加新的線程级乐。
我們將使用STL提供的容器std::vector來存放我們的線程，這些線程做的工作都是一致的县匠，他們將在隊列中不斷地彈出任務(wù)并執(zhí)行它风科，如果隊列中沒有任務(wù)了撒轮，他們就將進入等待狀態(tài)。
結(jié)合上面的隊列實現(xiàn)贼穆，給出一個簡單的線程池實現(xiàn)：
namespace multi_thread {
template<typename Task>
class thread_safe_queue {
public:
thread_safe_queue() :done_(false) {
}
void push(const Task& t) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx_);
queue_.push(t);
ready_.notify_one();
}
void wait_and_pop(Task& t) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx_);
if (queue_.empty() && !done_)
ready_.wait(lock);
if (done_)
return;
t = queue_.front();
queue_.pop();
}
bool empty()const {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx_);
return queue_.empty();
}
void clear() {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx_);
for (int i = 0; i < queue_.size(); ++i)
queue_.pop();
}
void done() {
done_ = true;
ready_.notify_all();
}
private:
std::queue<Task> queue_;
mutable std::mutex mtx_;
std::condition_variable ready_;
std::atomic_bool done_;
};
class thread_pool {
public:
thread_pool(const int threadNum) :done_(false) {
for (int i = 0; i < threadNum; ++i) {
threads_.emplace_back(&thread_pool::workerThread, this);
}
}
~thread_pool() {
done_.store(true);
queue_.done();
for (auto& thread : threads_) {
if (thread.joinable())
thread.join();
}
}
void submit(const std::function<void(void)>& t) {
queue_.push(t);
}
bool isEmpty()const {
return queue_.empty();
}
void clearTask() {
queue_.clear();
}
private:
void workerThread() {
while (true) {
std::function<void(void)> t;
queue_.wait_and_pop(t);
if (done_)
break;
if (t)
t();
}
}
private:
std::vector<std::thread> threads_;
thread_safe_queue<std::function<void(void)>> queue_;
std::atomic_bool done_;
};
}
隊列里存放的是std::function<void(void)>题山，是一個沒有參數(shù)和返回值的Callable。在C++中故痊，常用的Callable包括lambda表達式顶瞳、function object（也就是operator()）、std::bind和std::function愕秫。我個人比較喜歡使用lambda和std::bind慨菱，他們都很簡單易用，在使用std::bind時豫领，如果你的函數(shù)是一個member function抡柿，別忘了把this作為第一個參數(shù)。
這個線程池非常簡單等恐，當(dāng)你調(diào)用構(gòu)造函數(shù)時洲劣，傳入一個你想要的線程數(shù)量，然后構(gòu)造函數(shù)體里就會開啟對應(yīng)數(shù)量的線程课蔬。std::thread接受一個Callable和它的參數(shù)作為構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)囱稽，構(gòu)造函數(shù)完成后線程立即啟動，這里的workerThread是一個member function二跋，所以战惊，我們還得加上this作為參數(shù)，跟std::bind一樣扎即。
workerThread函數(shù)里面循環(huán)地從隊列中獲取任務(wù)并執(zhí)行吞获，如果沒有任務(wù)，他就會處于等待狀態(tài)谚鄙「骺剑可以看到這里同樣有一個std::atomic_bool的變量done_，它用于使線程結(jié)束闷营。我們會在線程池的析構(gòu)函數(shù)里將這個變量設(shè)為true烤黍，然后我們調(diào)用隊列的done函數(shù)，讓隊列退出傻盟。最后我們逐個檢查線程池中的線程速蕊，如果他們還在運行，等待他們結(jié)束娘赴。一個std::thread在析構(gòu)前必須指定等待該線程結(jié)束還是分離該線程规哲，否則會發(fā)生錯誤。如果我們不做這些工作诽表，那么線程池在析構(gòu)時要么是其中的線程一直處于等待狀態(tài)唉锌，要么是一直處于循環(huán)狀態(tài)腥光，這會導(dǎo)致析構(gòu)函數(shù)停滯不前，也就是程序的卡死糊秆。
4.總結(jié)
這次實現(xiàn)的線程池只能說是實現(xiàn)了最基礎(chǔ)的功能武福，還缺少一些功能，例如任務(wù)返回值的缺失等痘番。本文實現(xiàn)的線程安全隊列也十分簡單捉片，還有很多可以優(yōu)化的地方。
