多线程模板应用实现（实践学习笔记）

news2024/11/14 17:18:14

出处：B站码出名企路

个人笔记：因为是跟着b站的教学视频以及文档初步学习，可能存在诸多的理解有误，对大家仅供借鉴，参考，然后是B站up阳哥的视频，我是跟着他学。大家有兴趣的可以到b站搜索。加油，一起学习。我的问题，大家如果看见，希望可以提出指正，谢谢大家。

应用场景

多线程的应用场景非常多，常见的有：

  1. 网络通信：在网络通信应用中，一般需要同时处理多个请求，如果使用单线程模式，会阻塞其他请求，造成性 能瓶颈，因此使用多线程可以提高并发处理能力。

  2. 数据库操作：在数据库操作中，有时需要同时对多个数据表进行操作，使用多线程可以提高处理效率。

  3. 图像处理：在图像处理应用中，需要对多个图像进行处理，在单线程模式下，处理速度会很慢，使用多线程可 以提高处理速度。

  4. 游戏开发：在游戏开发中，常常需要同时处理多个任务，比如处理游戏画面、物理效果、声音效果等，使用多 线程可以提高游戏的运行速度和流畅度。

  5. 并行计算：在科学计算领域中，常常需要对大量数据进行处理和计算，使用多线程可以将计算任务划分到多个 线程中进行，从而提高计算速度。

总之，多线程在提高程序性能、响应性和资源利用率方面有着广泛的应用。然而，需要注意在多线程编程中处理线程同步、共享数据等问题，以确保程序的正确性和稳定性。

图解结构

模块拆解

第一步：StateSubmitor耗时内容处理类

此处并没有很多具体实现，因为要结合业务。比如耗时处理逻辑

  class StateSubmitor    
    {
        public:

            explicit StateSubmitor(const std::string& str);
            ~StateSubmitor();
            
            //submit: 提交到队列中
            //const std::string& content 内容，包括海量数据
            void submit(const std::string& content);//content可任意
            //flush: 将队列中的所有状态信息发往远程收集端
            //具体的业务逻辑
            void flush();

        private:

            StateSubmitor(const StateSubmitor&) = delete;
            StateSubmitor& operator=(const StateSubmitor&) = delete;
    };
    void StateSubmitor::submit(const std::string& content){
        /*
            @ 对 content的耗时处理逻辑
        
        */
    }
第二步：NodeMonitor线程启动类 
//节点监控, 监控任务的发生, 业务的产生. 多线程同步等控制逻辑的封装
    class NodeMonitor
    {
        public:
            ~NodeMonitor();
            static NodeMonitor* instance();

            void start();
            void shutdown();
            bool init();

        private:
            NodeMonitor();

            NodeMonitor(const NodeMonitor&) = delete;
            NodeMonitor& operator=(const NodeMonitor&) = delete;
            void stateInfo(const std::string& strs);

            void ThreadFunc();                         //消费者线程入口函数

            bool shutdown_;                            //开关   
            std::mutex mutex_;                         
            std::thread thread_;                       //消费者线程
            std::condition_variable cond_;
            //queue
            std::queue<std::string> task_queue_;       //任务队列
            std::unique_ptr<StateSubmitor> submitor_;  //unique_ptr管理submitor对象
    };

}

具体实现，这里才是多线程同步互斥的重点部分，核心，利用任务队列做缓冲容器，解耦合。使得生产者线程和消费者线程之间的耦合度降低，生产者只管将任务放入任务队列，然后即可返回，无需等待消费者处理。消费者只管从任务队列中拿取任务处理。大大提高效率。通过缓存大大减低了生产者和消费者之间的耦合程度。

生活场景：快递驿站，快递小哥就是生产者，我们就是消费者。快递驿站就是容器队列。

 //析构一般独立一个函数
    NodeMonitor::~NodeMonitor(){
        this->shutdown();//做资源释放等等操作
    }
    //创建线程安全的单例
    //call_once 确保多线程下仅仅创建一个NodeMonitor对象
    NodeMonitor* NodeMonitor::instance(){
        static NodeMonitor* instance = nullptr;
        static std::once_flag flag;  
        std::call_once(flag, [&]{
            instance = new (std::nothrow) NodeMonitor();
        });

        return instance; 
    }
    
    //线程启动
    void NodeMonitor::start(){
        //创建消费者
        thread_ = std::thread(&NodeMonitor::ThreadFunc, this);
        //启动生产者
        if (!init()){
            return;
        }
    }
    //生产者函数
    bool NodeMonitor::init(){
        submitor_.reset(new StateSubmitor("lyy")); //创建submitor
        /*
          @ 不断地填充stateInfo
          @ 如果是实际应用场景可能会采取轮询, 或者是event事件触发, 
          此处阳哥按照最简单的塞入文本信息作为事件(任务)
        */
        while (true)
        {
            stateInfo("lxk");
        }
        return true;
    }
    
    //填入需要的信息 <=> push任务
    void NodeMonitor::stateInfo(const std::string& strs){
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        task_queue_.push(strs); //生产, 塞入任务
        cond_.notify_one();     //通知消费
    }
    
    //线程销毁
    void NodeMonitor::shutdown(){
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        shutdown_ = true;
        cond_.notify_all();
        if (thread_.joinable()){
            thread_.join();
        }
    }
    
    //消费者函数
    void NodeMonitor::ThreadFunc(){

        while (!shutdown_)
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
            cond_.wait(lock, [this]{
                return shutdown_ || !task_queue_.empty();
            });

            if (shutdown_){
                break;
            }

            std::string str = task_queue_.front();
            task_queue_.pop();
            lock.unlock();

            submitor_->submit(str);//提交状态信息
        }
        
    }

具体案例

消息队列作业实现

#include <iostream>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <memory>
#include <condition_variable>
#include <string>
#include <chrono>

namespace XX
{
    class MessageQueue {//封装消息队列类
    public:
        void push(const std::string& message); 
        std::string pop(); 
        bool empty();
    private:
        std::mutex mutex_; //互斥锁, 保障互斥操作
        std::condition_variable cond_; //通知, 保障同步
        std::queue<std::string> msg_queue_;  //容器
    };
        
    class StateSubmitor {//消息处理类, 业务处理, 管理消息队列
    public:
        explicit StateSubmitor(MessageQueue& msg_queue);
        ~StateSubmitor();
        void submit(const std::string& content); //提交状态信息并将其添加到队列中
        void flush();  //flush: 将队列中的所有状态信息发往远程收集端, 清空处理所有消息.
    private:
        StateSubmitor(const StateSubmitor &) = delete;
        StateSubmitor &operator=(const StateSubmitor &) = delete;
    private:
        MessageQueue& msg_queue_;  //消息队列
    };

    // 节点监控, 监控任务的发生, 业务的产生. 多线程同步等控制逻辑的封装
    class NodeMonitor {
    public:
        ~NodeMonitor();
        static NodeMonitor *instance();

        void start();
        void shutdown();
        bool init();

    private:
        NodeMonitor();
        void ProducerThreadFunc(); //线程函数
        void ConsumerThreadFunc(); //线程函数
        NodeMonitor(const NodeMonitor &) = delete;
        NodeMonitor &operator=(const NodeMonitor &) = delete;
    private:
        std::thread producer_thread_; //生产者线程，不停的往消息队列塞入监控到的用户状态信息消息.
        static int count_;
        std::unique_ptr<StateSubmitor> submitor_;
        MessageQueue msg_queue_; //消息队列
        std::thread consumer_thread_;//消费者线程, 不停的从消息队列中抽出消息进行处理
        bool shutdown_;              //开关
    };
}

namespace XX {

    int NodeMonitor::count_ = 0;//初始化
    void MessageQueue::push(const std::string& message) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        msg_queue_.push(message);//塞入消息
        cond_.notify_one();//通知消费
    }

    std::string MessageQueue::pop() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        cond_.wait(lock, [this]{//等待消息到来
            return !empty();
        });
        std::string msg = msg_queue_.front();//拿到消息
        msg_queue_.pop();
        return msg;
    }

    bool MessageQueue::empty() {
        return msg_queue_.empty();
    }
    
    StateSubmitor::StateSubmitor(MessageQueue& msg_queue)
        : msg_queue_(msg_queue) {}  

    void StateSubmitor::submit(const std::string& content) {
        //提交状态信息消息的业务操作
        std::cout << "消息为: " << content << std::endl;
        //将业务状态消息push到消息队列中
        msg_queue_.push(content);
    }

    void StateSubmitor::flush() {
        //清空所有消息
    }

    StateSubmitor::~StateSubmitor() {
        this->flush();
    }
    
    NodeMonitor::NodeMonitor():shutdown_(false){

    }

    NodeMonitor::~NodeMonitor(){
        this->shutdown();//释放资源...操作
    }

    void NodeMonitor::ProducerThreadFunc() {
        while (!shutdown_) { //不断生产
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(3000));
            std::string msg = "消息";
            msg += std::to_string(count_);
            count_ ++;
            submitor_->submit(msg);
        }
    }

    NodeMonitor* NodeMonitor::instance(){
        static NodeMonitor* instance = nullptr;
        static std::once_flag flag;  
        std::call_once(flag, [&]{
            instance = new (std::nothrow) NodeMonitor();
        });

        return instance; 
    }

    void NodeMonitor::ConsumerThreadFunc() {
        while (!shutdown_) { //不断消费
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(2000));
            std::string msg = msg_queue_.pop();//弹出一条消息
            std::cout << "处理了: " << msg << std::endl;
        }
    }

    void NodeMonitor::start() {
        init();
    }

    void NodeMonitor::shutdown() {
        shutdown_ = true;
    }

    bool NodeMonitor::init() {
        submitor_.reset(new StateSubmitor(msg_queue_)); //创建submitor
        //创建生产者，消费者线程并且join
        producer_thread_ = std::thread(&NodeMonitor::ProducerThreadFunc, this);
        consumer_thread_ = std::thread(&NodeMonitor::ConsumerThreadFunc, this);

        producer_thread_.join();
        consumer_thread_.join();
        return true;
    }
}

int main() {

    XX::NodeMonitor::instance()->start();
    return 0;
}

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