c++11实现线程池

　　原文地址：http://blog.csdn.net/zdarks/article/details/46994607

　　线程池的实现原理很简单：就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。

1.代码

#include <thread>
#include <mutex>
#include <future>
#include <atomic>
#include <condition_variable>
#include <functional>
#include <vector>
#include <queue>
#include <memory>
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class TaskExecutor
{
    using Task = function<void()>;
private:
    //线程池
    vector<thread> pool;
    //任务队列
    queue<Task> tasks;
    //同步
    mutex mtx;
    condition_variable cv;
    //是否关闭提交
    atomic<bool> isStop;
public:
    TaskExecutor(int size = 4):isStop(false)
    {
        if (size < 1)
            size = 1;
        for (int i = 0; i < size; ++i)
        {
            pool.emplace_back(&TaskExecutor::schedual, this);
        }
    }

    ~TaskExecutor()
    {
        for (auto& t : pool)
            t.join();
    }

    //停止任务提交
    void shutdown()
    {
        this->isStop.store(true);
    }

    //重启任务提交
    void restart()
    {
        this->isStop.store(false);
    }

    //提交一个任务
    template <class F, class... Args>
    auto commit(F&& f, Args&&...args)->future<decltype(f(args...))>
    {
        if (isStop.load())
        {
            throw std::runtime_error("task executor have closed commit.");
        }
        using ResType = decltype(f(args...));
        auto task = make_shared<packaged_task<ResType()>>(
            std::bind(forward<F>(f), forward<Args>(args)...)
            );
        //添加任务到队列
        {
            lock_guard<mutex> lck(mtx);
            tasks.emplace([task]() {
                (*task)();
            });
        }
        cv.notify_one();
        future<ResType> future = task->get_future();
        return future;
    }

    
private:
    //获得一个待执行的Task
    Task get_one_task()
    {
        unique_lock<mutex> lck(mtx);
        cv.wait(lck, [&]() {
            return !tasks.empty();
        });
        Task task(move(tasks.front()));
        tasks.pop();
        return task;
    }
    //任务调度
    void schedual()
    {
        while (true)
        {
            if (Task task = get_one_task())
            {
                task();
            }
            else
            { }
        }
    }
};


void f()
{
    cout << "hello f" << endl;
}

struct G
{
    int operator()()
    {
        cout << "hello g!" << endl;
        return  42;
    }
};
mutex m;
void x(int i)
{
    unique_lock<mutex> lck(m);
    cout << "第" << i << "号线程被调度" << endl;
}

int main()
{
    TaskExecutor executor(10);
    future<void> ff = executor.commit(f);
    future<int> fg = executor.commit(G());
    future<string> fh = executor.commit([]()->string {
        cout << "hello h!" << endl;
        return "hello,fh!";
    });
    executor.shutdown();
    ff.get();
    cout << fg.get() << " " << fh.get() << endl;

    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(5));
    executor.restart();
    executor.commit(f).get();

    cout << "end..." << endl;
    

    for (int i = 0; i < 100; ++i)
    {
        executor.commit(x, i);
    }
    
}

 

2.实现原理　　

　　“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，me 想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. stop 控制任务提交，是受了 Java 的影响，还有实现类不叫 ThreadPool 而是叫 TaskExecutor；
4. 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。

3.c++11一些语法

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。最初的实现版本 Task 类型不是单纯的函数类型，而是一个 class，包含一个 status 字段，表明 Task 的状态：未调度、执行中、执行结束。后来因为简化，故删掉了。
2. pool.emplace_back(&TaskExecutor::schedual, this); 和 pool.push_back(thread{&TaskExecutor::schedual, this}) 功能一样，只不过前者性能会更好；
3. thread{&TaskExecutor::schedual, this} 是构造了一个线程对象，执行函数是成员函数 TaskExecutor::schedual ；
4. 所有对象的初始化方式均采用了 {}，而不再使用之前的 () 方式，因为风格不够一致且容易出错；
5. 匿名函数： [](int a, int b)->int { return a+b; } 不多说。[] 是捕捉器，&r 是引用域外的变量 r， =r 是拷贝域外的 r 值；
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. 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 ！
9. 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！
10. 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)；
11. 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 () ；
12. 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；
13. 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；
14. 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。