[C++11]半同步半异步线程池实现与分析

线程池介绍

服务器完成一项任务的时间可分为：T1：创建线程或进程时间；T2：执行任务时间；T3：销毁进程或线程时间。通常T1+T3的时间大于T2，线程池正是关注如何缩短T1和T3的时间。
线程池通过在系统中预先创建一定数量的线程，当任务请求到来时从线程池中分一个预先创建的线程去处理任务，线程在处理完任务后还可以重用，不会销毁，继续等待下次任务的到开。这样能避免大量的线程创建和销毁操作，从而节省系统资源；同时有很多任务时，也会减少创建线程的数量。
用C++11的线程相关特性，比如线程、条件变量、互斥量，让我们编写并发程序更简单。

半同步半异步线程池实现的关键技术分析

线程池又三层组成：
1. 同步服务层：不断的将新任务添加到同步队列中，可以用多路复用或者多线程来完成。一开始没看懂任务是什么，其实一个函数就是一个任务，C++11通过std::function将函数封装为类模板对象，可以将这些任务（函数）放到容器中保存起来，以进行添加读取任务操作。
2. 排队层：就是一个同步队列，处于核心地位。所有待处理的任务都存在这里，要保证队列中共享数据线程安全（加锁），还要控制任务的数量，上层服务层往队列添加任务，下层从这里取任务去执行。
3. 异步服务层： 预先创建好线程，来并行处理队列中的任务。

自己画了一张图：

代码实现与分析

用到了很多C++11的特性，里面写了很多注释，是根据自己理解分析的。

同步队列：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

template<typename T>
class Syncqueue
{
public:
    //初始化，队列的最大元素个数，开始不终止
    Syncqueue( int maxsize ) : m_maxsize(maxsize),m_needStop(false){}

    //往队列中添加任务,重载两个版本，左值和右值引用
    void Put( const T& x )
    {
        Add(x);
    }
    void Put(T&& x)
    {
        Add(forward(x));
    }

    //Take和Add类似
    void Take(list& list)
    {
        unique_lock locker(m_mtx);
        m_notEmpty.wait(locker, [this] { return m_needStop|| NotEmpty(); });//停止或者不空就继续执行,不用wait

        if(m_needStop)  return ;

        //一次加锁，一下取出队列中的所有数据
        list  = move(m_queue);  //通过移动，将 m_queue 转移到 list,而不是拷贝
        m_notFull.notify_one(); //唤醒线程去添加任务
    }

    //每次获取一个数据，效率较低
    void Take(T& t)
    {
        unique_lock locker(m_mtx);
        m_notFull.wait(locker, [this] { return m_needStop || NotEmpty(); });

        if(m_needStop)  return ;

        t = m_queue.front();  //取出一个
        m_queue.pop_front();
        m_notFull.notify_one();    
    }

    //方便让用户能终止任务
    void Stop()
    {
        {
            lock_guard locker(m_mtx);
            m_needStop = true;      //将需要停止标志 置为 true
            //执行到这，lock_guard释放锁
        }
        //唤醒所有等待的线程，到if(m_needStop)时为真，然后相继退出
        m_notEmpty.notify_all();    //被唤醒的线程直接获取锁
        m_notFull.notify_all();
    }

    //判断队列是否为空
    bool Empty()
    {
        lock_guard locker(m_mtx);
        return m_queue.empty();
    }
    //判断队列满了
    bool Full()
    {
        lock_guard locker(m_mtx);
        return m_queue.size() == m_maxsize;
    }

    //队列大小
    size_t Size()
    {
        lock_guard locker(m_mtx);
        return m_queue.size();
    }

private:
    //队列未满
    bool NotFull() const
    {
        bool full = m_queue.size() >= m_maxsize;
        if(full)
            cout << "缓冲区满了，需要等待…… " << endl;
        return !full;
    }

    //队列不空
    bool NotEmpty() const
    {
        bool empty = m_queue.empty();
        if(empty)
        cout << "缓冲区空了，需要等待…… 异步层的线程id: " << this_thread::get_id() << endl;
        return !empty;
    }

    //范型事件函数
    template<typename F>
    void  Add(F&& x)
    {
        unique_lock locker(m_mtx);
        m_notFull.wait(locker,[this]{ return m_needStop|| NotFull(); });  //需要停止 或者 不满则继续往下执行，否则wait
        if(m_needStop)  return;             //如果需要终止就 return 
        m_queue.push_back(forward(x));   //不终止，把任务添加到同步队列
        m_notEmpty.notify_one();            //提醒线程队列不为空，唤醒线程去取数据
    }

private:
    list m_queue;    //缓冲区  用链表实现
    mutex m_mtx;        //互斥量    
    condition_variable m_notEmpty;  //不为空的条件变量
    condition_variable m_notFull;   //没有满的条件变量

    int m_maxsize;      //同步队列最大的size

    bool m_needStop;    //停止的标志,开始是false
};

线程池：

/*************************************************************************
    > File Name: ThreadPool.h
    > Author: Tanswer
    > Mail: [email protected]
    > Created Time: 2017年08月10日 星期四 14时46分51秒
 ************************************************************************/

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "Syncqueue.h"

using namespace std;

const int MaxTaskCount = 100;   //最大任务数量

class ThreadPool
{
public:

    using Task = function<void()>;  
    //任务类型，这里是无参数无返回值,可以修改为任何类型的范型函数模板

    //hardware_concurrency CPU核数 当默认线程数
    ThreadPool(int numThreads = thread::hardware_concurrency()) : m_queue(MaxTaskCount)
    {
        Start(numThreads);      //启动
    }

    ~ThreadPool()
    {
        Stop();     //如果没有停止时，则主动终止线程池
    }

    //终止线程池,销毁池中所有线程
    void Stop()
    {
        //保证多线程情况下只调用一次StopThreadGroup
        call_once(m_flag, [this] { StopThreadGroup(); });
    }

    //同步服务层：往同步队列中添加任务,两个版本
    void AddTask(Task&& task)
    {
        m_queue.Put(forward(task));    
    }
    void AddTask(const Task& task)
    {
        m_queue.Put(task);
    }

private:
    void Start( int numThreads ) //线程池开始，预先创建包含numThreads 个线程的线程组
    {
        m_running = true;

        //创建线程组
        for(int i=0; i//智能指针管理，给出线程函数&ThreadPool::RunInThread 和对应参数this
            m_threadgroup.push_back( make_shared(&ThreadPool::RunInThread, this) );
        }
    }

    void RunInThread()
    {
        while(m_running)
        {
            //一次取出队列中所有任务
            list list;
            m_queue.Take(list);

            for(auto& task : list)
            {
                if(!m_running)  //如果停止
                    return ;
                task();         //执行任务
            }
        }
    }

    //终止线程池,销毁池中所有线程
    void StopThreadGroup()
    {
        m_queue.Stop();     //让同步队列中的线程停止
        m_running = false;  //让内部线程跳出循环并退出

        for(auto thread : m_threadgroup)
        {
            if(thread)
                thread -> join();
        }
        m_threadgroup.clear();
    }

private:
    list<shared_ptr> m_threadgroup;     //处理任务的线程组,用list保存
    Syncqueue m_queue;    //同步队列
    atomic_bool m_running;      //是否停止的标志
    once_flag m_flag;           //call_once的参数
};

测试例子：

/*************************************************************************
    > File Name: TestThreadPool.cpp
    > Author: Tanswer
    > Mail: [email protected]
    > Created Time: 2017年08月10日 星期四 16时49分35秒
 ************************************************************************/

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "ThreadPool.h"

using namespace std;

void TestThreadPool()
{
    ThreadPool pool(2);
    //线程池创建两个线程，异步层此时无任务需要先等待
    //pool.Start(2);

    //创建两个同步层的线程不断往线程池中添加任务

    //在这任务很简单，打印同步层线程ID，用lambda表达式表示,每个线程处理10个任务
    thread thd1( [&pool]{
        for(int i=0; i<10; i++ )
        {
            auto thdId = this_thread::get_id();
            pool.AddTask( [thdId]{
                cout << "同步层线程1的线程ID： " << thdId << endl;
            } );
        }
    } );

    thread thd2( [&pool]{
        for( int i=0; i<10; i++ )
        {
            auto thdId = this_thread::get_id();
            pool.AddTask( [thdId]{
                cout << "同步层线程2的线程ID： " << thdId << endl;
            } );
        }
    } );

    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));
    getchar();
    //停止线程池
    pool.Stop();

    //等待同步层的两个线程执行完
    thd1.join();
    thd2.join();
}

int main()
{
    TestThreadPool();

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

测试结果：

线程池预先创建了两个线程，线程ID分别为： 140141544822528 和 140141536429824，开始时同步队列是空的，还没有任务，所以两个线程都等待。然后创建了两个同步层线程1和2，线程ID分别为：140141528037120 和 140141519644416，这两个线程开始不断往线程池同步队列中添加任务。有了任务后，线程池异步层中的两个线程开始处理任务，任务很简单，就是打印同步层线程ID，异步层线程交替处理上层的任务。