C++实现线程池详解（基于boost源码以及封装等线程池）

# ThreadPool C++11 ## 多线程程序一定好吗？ 不一定，要看当前程序的类型来判断，程序的类型有IO密集型和CPU密集型。 - IO密集型：涉及一些IO操作的指令，比如设备、文件、网络等，这些IO操作很容易阻塞程序，也是比较耗时的操作。 - CPU密集型：指令主要是用于计算的。 对于多核计算机来说，这两种类型的程序使用多线程都是有必要的，但是如果是**单线程环境，IO密集型程序才适合多线程**，比如某个任务处于网络阻塞状态，那就可以切换其他线程去处理其他任务；CPU密集型程序不适合多线程，因为就算是多个线程，这些计算指令依然还是这个核心来处理，除了执行指令外，还多了一些线程切换开销。 ## 线程数量怎么确定？ - 线程的创建核销毁是非常"重"的操作。 - 线程本身占用大量内存。每个线程都有自己独立的栈空间。 - 线程的上下文切换非常耗时。如果cpu大量时间花在切换线程，就没时间处理任务了。 - 大量线程同时唤醒会使得系统出现瞬时负载量过大导致宕机。 **线程数量一般都是按照当前CPU的核心数量来确定的。** ## 线程池介绍 ### 线程池基本原理 为了任务得到及时的处理（所谓任务可以理解为待执行的函数），把待处理的任务都放入线程池的任务队列中，线程池的多个线程就可以从该任务队列中取出任务并执行，线程再取出任务的同时，用户也可以向任务队列中添加新的任务，就好像用户只管把要执行的任务告诉线程池，线程池内部线程处理完成后返回用户处理结果。大致原理如下图。  有读者可能疑问，函数不是调用了就执行了吗，怎么还可以放入什么任务队列？是的，C++11提供了function模板，可以把函数当作一个可调用对象（可理解为一个变量）先保存起来，甚至可以把这个可调用对象存入容器中（比如queue中），然后可以再合适的时机把该调用对象取出来，然后执行。相当于把要执行的函数保存后延迟调用。 ### 线程池的优势 - 服务进程启动之初，就事先在线程池重创建好了很多线程，当有任务需要执行时，就可以直接选择一个线程马上执行任务，而不必像之前一样，执行任务还需要额外时间先创建好线程。 - 任务执行完成后，不用释放线程，而是把线程归还到线程池中，便于为后续任务提供服务。 ### 线程池应该具备的功能 - 线程池应该是可配置的。比如配置保留线程的数量，线程池最多能开启的线程数量等。 - 具有保留线程和动态线程。保留线程常驻在线程池中，只要线程池没有退出或者被回收，则常驻线程就不会终止；动态线程根据任务量的大小动态创建和销毁，当保留线程不能及时处理任务队列的任务时，增加动态线程，当任务队列为空，许多动态线程处于等待状态时，终止动态线程。 - 能够执行各种不一样的任务（参数不同的函数），并且能够获取执行结果 - 可获取当前线程池中线程的总个数，空闲线程的个数。 - 可以控制任务队列的任务数量，防止过多任务占用大量内存。 - 开启线程池功能的开关。关闭时确保当前任务能够执行完成，并丢弃剩下没有执行的任务，或者停止向任务队列中添加新任务，把剩余的任务执行完毕后退出。 ## 线程池的实现 ### 前置知识 本线程池使用C++11编写，主要使用到了以下的C++11特性，适合初学者入门。 std::function和std::bind、可变参数函数模板、package_task和future、原子类型（atomic）、条件变量、互斥锁、智能指针、lambda表达式、移动语义、完美转发 ### 类的划分 线程池中共分为两个类，一个Thread类和一个ThreadPool类，Thread类主要是用于保存线程的一些基本属性、比如线程标志（是保留线程还是动态线程）、线程ID、std::thread等等，涉及到的方法主要是启动线程（start函数）；ThreadPool类主要用于管理Thread类和任务队列，包括动态添/删除线程、向任务队列存取任务等等。这两个类的头文件主要代码如下： ```cpp class Thread : public std::enable_shared_from_this<Thread> { public: using ThreadPtr = std::shared_ptr<Thread>; using ThreadFunc = std::function<void(ThreadPtr)>; enum class ThreadFlag { kReserved, kDynamic }; explicit Thread(ThreadFunc func, ThreadFlag flag = ThreadFlag::kReserved); ~Thread() = default; // 获取线程id pid_t getThreadId() { return threadId_; } void start(); // 启动线程 private: ThreadFlag threadFlag_; // 线程标志 pid_t threadId_; // 线程id std::thread thread_; // 线程 ThreadFunc threadFunc_; // 线程执行函数 }; ``` ```cpp class ThreadPool { public: using Task = std::function<void()>; // 定义任务回调函数 using Seconds = std::chrono::seconds; using ThreadPoolLock = std::unique_lock<std::mutex>; using ThreadPtr = std::shared_ptr<Thread>; // 线程指针类型 using ThreadFlag = Thread::ThreadFlag; explicit ThreadPool(); ~ThreadPool(); void start(); // 开启线程池 void stop(); // 停止线程池 template<typename Func, typename... Args> // 给线程池提交任务 auto submitTask(Func&& func, Args&&... args) -> std::future<decltype(func(args...))>; private: void addThread(ThreadFlag flag = ThreadFlag::kReserved);// 向线程池中添加一个新线程 void removeThread(pid_t id); void threadFunc(ThreadPtr threadPtr); // 线程执行函数 std::list<ThreadPtr> workThreads_; // 存放工作线程，使用智能指针是为了能够自动释放Thread std::mutex threadMutex_; // 工作线程互斥锁 std::queue<Task> tasks_; // 任务队列 std::mutex taskMutex_; // 互斥锁（从队列取出/添加任务用到） std::condition_variable notFullCV_; // 任务队列不满 std::condition_variable notEmptyCV_; // 任务队列不空 std::condition_variable exitCV_; // 没有任务时方可线程池退出 // std::atomic_int taskNum_; // 任务队列中未处理的任务数量 std::atomic_int waitingThreadNum_; // 处于等待中的线程数量 std::atomic_uint curThreadNum_; // 当前线程数量 std::atomic_bool quit_; // 标识是否退出线程池 Config config_; // 存储线程池配置 }; ``` ### 功能实现 #### ThreadPool构造函数做了什么？ 构造函数主要初始化一些配置，比如保留线程的数量、线程池最大的线程数量等等。 #### 线程池启动(start)时做了什么？ 线程池调用start函数后，会根据配置中给定的保留线程数量向线程容器`workThreads_`中添加保留线程，添加保留线程实际上就是创�