c++11线程池实现

咳咳。c++11 加入了线程库，从此告别了标准库不支持并发的历史。然而 c++ 对于多线程的支持还是比较低级，稍微高级一点的用法都需要自己去实现，譬如线程池、信号量等。线程池(thread pool)这个东西，在面试上多次被问到，一般的回答都是：“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。” 貌似没有问题吧。但是写起程序来的时候就出问题了。

废话不多说，先上实现，然后再啰嗦。(dont talk, show me ur code !)

#ifndef ILOVERS_THREAD_POOL_H
#define ILOVERS_THREAD_POOL_H
#include <iostream>
#include <functional>
#include <thread>
#include <condition_variable>
#include <future>
#include <atomic>
#include <vector>
#include <queue>
// 命名空间
namespace ilovers {
class TaskExecutor;
}
class ilovers::TaskExecutor{
using Task = std::function<void()>;
private:
// 线程池
std::vector<std::thread> pool;
// 任务队列
std::queue<Task> tasks;
// 同步
std::mutex m_task;
std::condition_variable cv_task;
// 是否关闭提交
std::atomic<bool> stop;
public:
// 构造
TaskExecutor(size_t size = 4): stop {false}{
size = size < 1 ? 1 : size;
for(size_t i = 0; i< size; ++i){
pool.emplace_back(&TaskExecutor::schedual, this);    // push_back(std::thread{...})
}
}
// 析构
~TaskExecutor(){
for(std::thread& thread : pool){
thread.detach();    // 让线程“自生自灭”
//thread.join();        // 等待任务结束， 前提：线程一定会执行完
}
}
// 停止任务提交
void shutdown(){
this->stop.store(true);
}
// 重启任务提交
void restart(){
this->stop.store(false);
}
// 提交一个任务
template<class F, class... Args>
auto commit(F&& f, Args&&... args) ->std::future<decltype(f(args...))> {
if(stop.load()){    // stop == true ??
throw std::runtime_error("task executor have closed commit.");
}
using ResType =  decltype(f(args...));    // typename std::result_of<F(Args...)>::type, 函数 f 的返回值类型
auto task = std::make_shared<std::packaged_task<ResType()>>(
std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...)
);    // wtf !
{    // 添加任务到队列
std::lock_guard<std::mutex> lock {m_task};
tasks.emplace([task](){   // push(Task{...})
(*task)();
});
}
cv_task.notify_all();    // 唤醒线程执行
std::future<ResType> future = task->get_future();
return future;
}
private:
// 获取一个待执行的 task
Task get_one_task(){
std::unique_lock<std::mutex> lock {m_task};
cv_task.wait(lock, [this](){ return !tasks.empty(); });    // wait 直到有 task
Task task {std::move(tasks.front())};    // 取一个 task
tasks.pop();
return task;
}
// 任务调度
void schedual(){
while(true){
if(Task task = get_one_task()){
task();    //
}else{
// return;    // done
}
}
}
};
#endif
void f()
{
std::cout << "hello, f !" << std::endl;
}
struct G{
int operator()(){
std::cout << "hello, g !" << std::endl;
return 42;
}
};
int main()
try{
ilovers::TaskExecutor executor {10};
std::future<void> ff = executor.commit(f);
std::future<int> fg = executor.commit(G{});
std::future<std::string> fh = executor.commit([]()->std::string { std::cout << "hello, h !" << std::endl; return "hello,fh !";});
executor.shutdown();
ff.get();
std::cout << fg.get() << " " << fh.get() << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));
executor.restart();    // 重启任务
executor.commit(f).get();    //
std::cout << "end..." << std::endl;
return 0;
}catch(std::exception& e){
std::cout << "some unhappy happened... " << e.what() << std::endl;
}

为了避嫌，先进行一下版权说明：代码是 me “写”的，但是思路来自 Internet， 特别是这个线程池实现(窝的实现，基本 copy 了这个实现，好东西值得
copy !)。

实现原理

接着前面的废话说。“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。

c++语言细节

即使懂原理也不代表能写出程序，上面用了众多c++11的“奇技淫巧”，下面简单描述之。

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。

结束语

是不是感觉有些反人类！

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