💻文章目录
- 📄前言
- 线程池的原理
- 概念
- 工作原理
- 线程池的实现
- 线程池的基础结构
- 任务队列的实现
- 工作线程的实现
- 线程池的应用与拓展
- 线程池的拓展
- 📓总结
📄前言
不知道各位是否有试过点进限时抽奖网站、抢票网站呢？你是否好奇过一个网站、游戏是如何实现数十万、百万用户一起进行访问呢？ 其实这类软件的背后的服务器总是离不开一个叫做线程池的设计，而这就是本文将讲解的内容，学习如何设计线程池，是每个后端程序猿的必修课之一。
线程池的原理
概念
当我们在一台多核CPU机器上使用多线程，无疑能够提高程序的性能，但不是每台机器的CPU都是“线程撕裂者”，我们无法给每个任务都分配一条线程，过度分配线程只会让程序性能下降。为此，我们需要给线程与需要执行的任务进行集中管理，减少线程创建和销毁所造成的开销，而这就是线程池。
线程池也是池化技术的一种，即将资源提前分配好，集中管理，当需要使用的时候在去使用，从而提高程序的效率。
-
线程池的优点：
- 提高程序可维护性：线程池作为一个模块，降低了代码的耦合性，使得程序的可维护性得到提高
- 减少系统开销：避免频繁地创建和销毁资源，减少了系统的开销，尤其是在高负载情况下更能体现出其效率。
- 提高性能：通过并发执行任务，从而提高程序的性能。
工作原理
线程池最基础的三个结构组成就是任务队列、工作线程、线程管理。其中线程池中的任务队列负责将用户的任务打包成合适的格式，等待工作线程来取走。工作线程负责任务的并发执行，而线程管理则用于管理线程的创建、消亡。
其实，线程池也可以看作是一种消费者生产者模型。
- 生产者：用户负责生成任务并将它们交给任务队列。可以将这看作为发送一个资源请求。
- 消费者：线程池负责消费者的角色，用于处理将任务队列中的任务（资源）。
介绍完了线程池的工作原理，那就简单的介绍下工作流程吧。
工作流程：
+----------------+ +---------------------+ +-------------------+ +-------------------+
| 线程池初始化 | | 添加任务到任务队列 | | 线程从队列中取任务 | | 执行任务并返回线程池 |
| 创建线程 | --> | 所有任务入队列 | --> | 自动取出并执行任务 | --> | 线程等待下一任务 |
+----------------+ +---------------------+ +-------------------+ +-------------------+
线程池的实现
要实现一个不那么塑料的线程池，就得要对C++的包装器、异步函数工具、完美转发有所了解，如果你对它们不太了解，可以去观看我的上一篇文章。
你知道如何快速实现一个简单、高效的线程池吗？那就是上github搜索线程池，然后找到一个最多人收藏的(✓)。本篇文章讲解的线程池是基于github上大佬的线程池 所修改的。如果要提高编程实力，请务必去多上github观看源码。
线程池的基础结构
这个线程池只实现了线程池所必备的三个功能，**任务队列、工作线程、线程管理。**这个线程池的实现不过百行，对于初学者来说比较友好，没有必要把焦点分散到其他地方，只需要集中于了解线程池本身的实现原理。
class ThreadPool {
public:
static ThreadPool* getInstance(size_t n = 0); //单例模式实现
template<class F, class... Args>
auto enqueue(F&& f, Args&&... args) //将任务推入队列
-> std::future<typename std::invoke_result_t<F, Args...>>; //c++17 invoke_result_t用于获取推导的函数返回值
template<class F> // 无参函数版本
auto enqueue(F&& f)
-> std::future<typename std::invoke_result_t<F>>;
~ThreadPool();
ThreadPool(const ThreadPool&) = delete; //防止拷贝
ThreadPool& operator=(const ThreadPool&) = delete;
private:
ThreadPool(size_t);
private:
std::once_flag _flag; //用于初始化函数
std::vector< std::thread > _workers; // 工作线程
std::queue< std::function<void()> > _tasks; // 任务队列
std::mutex _queue_mutex; // 用于保护任务队列的互斥锁
std::condition_variable _condition; // 用于同步操作
std::atomic<bool> _stop;
};
任务队列的实现
任务队列的难点在与如何理解如何包装任务的，以及智能指针的理解。但抛开C++中这些繁杂的部分，其实也就是往队列中发送任务。
template<class F, class... Args>
auto enqueue(F&& f, Args&&... args) //将任务推入队列
-> std::future<std::invoke_result_t<F, Args...>> //返回一个期待，用于获取函数运行结果/异常结果
{
using result_type = std::invoke_result_t<F, Args...>;
auto task = std::make_shared< std::packaged_task<result_type()> > (
std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...)
); // 包装任务成为异步任务。使用shared_ptr来动态管理存亡。
std::future<result_type> res = task->get_future(); //期待绑定task
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(_queue_mutex); // 保护任务队列，
if(_stop) throw std::runtime_error("在停止的线程池中加入任务");
_tasks.emplace([task] { (*task)(); }); //再次将任务包装成 function<void()>。
}
_condition.notify_one(); //通知线程有任务可以消费了
return res;
}
// 尝试自己去实现无参函数版本
工作线程的实现
工作线程的实现相比任务队列而言较为简单，只要确保往任务队列中取数据是线程安全，以及正确地结束线程即可。
static ThreadPool* getInstance(size_t n = 0) //单例模式实现
{ //c++11 的call_once，可用于保证线程安全地初始化单例对象，从而杜绝双重检查语句。
std::call_once(_flag, [n] { _instance = new ThreadPool(n); });
return _instance;
}
ThreadPool(size_t n)
{
for(int i = 0; i < n; ++i)
{
_workers.emplace_back
(
[this]
{
for(;;)
{
std::function<void()> task;
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(_queue_mutex); //保护任务队列
//当队列为空时，等待新任务
_condition.wait(lock, [this]{ return _stop || !_tasks.empty(); });
if(_stop && _tasks.empty()) return; // 线程池停止，且没有任务，则退出
task = std::move(_tasks.front()); // 从队列获取任务
_tasks.pop();
}
task(); // 并发执行任务
}
}
);
}
}
~ThreadPool()
{
_stop.store(true);
for(auto& it : _workers) //回收线程资源
it.join();
}
std::once_flag ThreadPool::_flag; //静态成员要在类外初始化
ThreadPool* ThreadPool::_instance = nullptr;
线程池的应用与拓展
线程池的设计就至此结束了，让我们来简单使用下做好的线程池吧。
int test(int num1, int num2)
{
return num1 + num2;
}
int main() {
httplib::Server server;
ThreadPool* pool = ThreadPool::getInstance(5);
std::vector<std::future<int>> results(10);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
results[i] = pool->enqueue(test, i, i + 1);
}
for(auto& it : results)
std::cout << it.get() << std::endl;
return 0;
}
线程池的拓展
这个线程池只是一个非常基础的线程池实现，实际的线程池会比这复杂得多，如下为线程池常见的拓展方式：
- 实现动态调整线程数：针对不同的场景线程池能够自动释放、创建线程。
- 优先级任务队列：为了确保紧急任务能够快速执行，可以定义一个优先级任务队列。
- 线程池任务异常处理：确保单个任务异常不会影响整个程序。
📓总结
掌握如何编写一个高效、安全的线程池对一个后端程序员来讲就像是西方不能没有耶路撒冷，毕竟如果要开发一个高并发需求的程序，例如抢票网站，服务器速度更不上、或者出现了线程安全，到时候用户就要寄律师函了。
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