C++11 加入了線程庫，從此告別了標準庫不支持并發的歷史。然而 c++ 對于多線程的支持還是比較低級，稍微高級一點的用法都需要自己去實現，譬如線程池、信號量等。

線程池(thread pool)這個東西，在面試上多次被問到，一般的回答都是：“管理一個任務隊列，一個線程隊列，然后每次取一個任務分配給一個線程去做，循環往復。” 貌似沒有問題吧。但是寫起程序來的時候就出問題了。

廢話不多說，先上實現，然后再啰嗦。(dont talk, show me ur code !)

代碼實現

#pragma once
#ifndef THREAD_POOL_H
#define THREAD_POOL_H

#include < vector >
#include < queue >
#include < atomic >
#include < future >
//#include < condition_variable >
//#include < thread >
//#include < functional >
#include < stdexcept >

namespace std
{
//線程池最大容量,應盡量設小一點
#define THREADPOOL_MAX_NUM 16
//#define THREADPOOL_AUTO_GROW

//線程池,可以提交變參函數或拉姆達表達式的匿名函數執行,可以獲取執行返回值
//不直接支持類成員函數, 支持類靜態成員函數或全局函數,Opteron()函數等
class threadpool
{
using Task = function< void() >; //定義類型
vector< thread > _pool; //線程池
queue< Task > _tasks; //任務隊列
mutex _lock; //同步
condition_variable _task_cv; //條件阻塞
atomic< bool > _run{ true }; //線程池是否執行
atomic< int > _idlThrNum{ 0 }; //空閑線程數量

public:
inline threadpool(unsigned short size = 4) { addThread(size); }
inline ~threadpool()
{
_run=false;
_task_cv.notify_all(); // 喚醒所有線程執行
for (thread& thread : _pool) {
//thread.detach(); // 讓線程“自生自滅”
if(thread.joinable())
thread.join(); // 等待任務結束， 前提：線程一定會執行完
}
}

public:
// 提交一個任務
// 調用.get()獲取返回值會等待任務執行完,獲取返回值
// 有兩種方法可以實現調用類成員，
// 一種是使用 bind：.commit(std::bind(&Dog::sayHello, &dog));
// 一種是用 mem_fn：.commit(std::mem_fn(&Dog::sayHello), this)
template< class F, class... Args >
auto commit(F&& f, Args&&... args) - >future< decltype(f(args...)) >
{
if (!_run) // stoped ??
throw runtime_error("commit on ThreadPool is stopped.");

using RetType = decltype(f(args...)); // typename std::result_of< F(Args...) >::type, 函數 f 的返回值類型
auto task = make_shared< packaged_task< RetType() >>(
bind(forward< F >(f), forward< Args >(args)...)
); // 把函數入口及參數,打包(綁定)
future< RetType > future = task- >get_future();
{ // 添加任務到隊列
lock_guard< mutex > lock{ _lock };//對當前塊的語句加鎖 lock_guard 是 mutex 的 stack 封裝類，構造的時候 lock()，析構的時候 unlock()
_tasks.emplace([task](){ // push(Task{...}) 放到隊列后面
(*task)();
});
}
#ifdef THREADPOOL_AUTO_GROW
if (_idlThrNum < 1 && _pool.size() < THREADPOOL_MAX_NUM)
addThread(1);
#endif // !THREADPOOL_AUTO_GROW
_task_cv.notify_one(); // 喚醒一個線程執行

return future;
}

//空閑線程數量
int idlCount() { return _idlThrNum; }
//線程數量
int thrCount() { return _pool.size(); }
#ifndef THREADPOOL_AUTO_GROW
private:
#endif // !THREADPOOL_AUTO_GROW
//添加指定數量的線程
void addThread(unsigned short size)
{
for (; _pool.size() < THREADPOOL_MAX_NUM && size > 0; --size)
{ //增加線程數量,但不超過 預定義數量 THREADPOOL_MAX_NUM
_pool.emplace_back( [this]{ //工作線程函數
while (_run)
{
Task task; // 獲取一個待執行的 task
{
// unique_lock 相比 lock_guard 的好處是：可以隨時 unlock() 和 lock()
unique_lock< mutex > lock{ _lock };
_task_cv.wait(lock, [this]{
return !_run || !_tasks.empty();
}); // wait 直到有 task
if (!_run && _tasks.empty())
return;
task = move(_tasks.front()); // 按先進先出從隊列取一個 task
_tasks.pop();
}
_idlThrNum--;
task();//執行任務
_idlThrNum++;
}
});
_idlThrNum++;
}
}
};

}

#endif

代碼不多吧,上百行代碼就完成了 線程池, 并且, 看看 commit, 哈, 不是固定參數的, 無參數數量限制! 這得益于可變參數模板.

怎么使用?

#include "threadpool.h"
#include < iostream >

void fun1(int slp)
{
printf(" hello, fun1 ! %dn" ,std::this_thread::get_id());
if (slp >0) {
printf(" ======= fun1 sleep %d ========= %dn",slp, std::this_thread::get_id());
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(slp));
}
}

struct gfun {
int operator()(int n) {
printf("%d hello, gfun ! %dn" ,n, std::this_thread::get_id() );
return 42;
}
};

class A {
public:
static int Afun(int n = 0) { //函數必須是 static 的才能直接使用線程池
std::cout < < n < < " hello, Afun ! " < < std::this_thread::get_id() < < std::endl;
return n;
}

static std::string Bfun(int n, std::string str, char c) {
std::cout < < n < < " hello, Bfun ! "< < str.c_str() < " " < < (int)c < " " < < std::this_thread::get_id() < < std::endl;
return str;
}
};

int main()
try {
std::threadpool executor{ 50 };
A a;
std::future< void > ff = executor.commit(fun1,0);
std::future< int > fg = executor.commit(gfun{},0);
std::future< int > gg = executor.commit(a.Afun, 9999); //IDE提示錯誤,但可以編譯運行
std::future< std::string > gh = executor.commit(A::Bfun, 9998,"mult args", 123);
std::future< std::string > fh = executor.commit([]()- >std::string { std::cout < < "hello, fh ! " < < std::this_thread::get_id() < < std::endl; return "hello,fh ret !"; });

std::cout < < " ======= sleep ========= " < < std::this_thread::get_id() < < std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(900));

for (int i = 0; i < 50; i++) {
executor.commit(fun1,i*100 );
}
std::cout < < " ======= commit all ========= " < < std::this_thread::get_id()< < " idlsize="<

為了避嫌，先進行一下版權說明：代碼是 me “寫”的，但是思路來自 Internet， 特別是這個線程池實現。

實現原理

接著前面的廢話說。“管理一個任務隊列，一個線程隊列，然后每次取一個任務分配給一個線程去做，循環往復。” 這個思路有神馬問題？

線程池一般要復用線程，所以如果是取一個 task 分配給某一個 thread，執行完之后再重新分配，在語言層面基本都是不支持的：一般語言的 thread 都是執行一個固定的 task 函數，執行完畢線程也就結束了(至少 c++ 是這樣)。

so 要如何實現 task 和 thread 的分配呢？讓每一個 thread 都去執行調度函數：循環獲取一個 task，然后執行之。idea 是不是很贊！保證了 thread 函數的唯一性，而且復用線程執行 task 。

即使理解了 idea，代碼還是需要詳細解釋一下的。

• 一個線程 pool，一個任務隊列 queue ，應該沒有意見；
• 任務隊列是典型的生產者-消費者模型，本模型至少需要兩個工具：一個 mutex + 一個條件變量，或是一個 mutex + 一個信號量。mutex 實際上就是鎖，保證任務的添加和移除(獲取)的互斥性，一個條件變量是保證獲取 task 的同步性：一個 empty 的隊列，線程應該等待(阻塞)；
• atomic 本身是原子類型，從名字上就懂：它們的操作 load()/store() 是原子操作，所以不需要再加 mutex。

c++語言細節

即使懂原理也不代表能寫出程序，上面用了眾多c++11的“奇技淫巧”，下面簡單描述之。

• using Task = function 是類型別名，簡化了 typedef 的用法。function 可以認為是一個函數類型，接受任意原型是 void() 的函數，或是函數對象，或是匿名函數。void() 意思是不帶參數，沒有返回值。
• pool.emplace_back([this]{...}) 和 pool.push_back([this]{...}) 功能一樣，只不過前者性能會更好；
• pool.emplace_back([this]{...}) 是構造了一個線程對象，執行函數是拉姆達匿名函數 ；
• 所有對象的初始化方式均采用了 {}，而不再使用 () 方式，因為風格不夠一致且容易出錯；
• 匿名函數：[this]{...} 不多說。[] 是捕捉器，this 是引用域外的變量 this指針， 內部使用死循環, 由cv_task.wait(lock,[this]{...}) 來阻塞線程；
• delctype(expr) 用來推斷 expr 的類型，和 auto 是類似的，相當于類型占位符，占據一個類型的位置；auto f(A a, B b) -> decltype(a+b) 是一種用法，不能寫作 decltype(a+b) f(A a, B b)，為啥？！c++ 就是這么規定的！
• commit 方法是不是略奇葩！可以帶任意多的參數，第一個參數是 f，后面依次是函數 f 的參數！(注意:參數要傳struct/class的話,建議用pointer,小心變量的作用域) 可變參數模板是 c++11 的一大亮點，夠亮！至于為什么是 Arg... 和 arg... ，因為規定就是這么用的！
• commit 直接使用只能調用stdcall函數，但有兩種方法可以實現調用類成員，一種是使用 bind：.commit(std::bind(&Dog::sayHello, &dog))；一種是用 mem_fn：.commit(std::mem_fn(&Dog::sayHello), &dog)；
• make_shared 用來構造 shared_ptr 智能指針。用法大體是 shared_ptr p = make_shared(4) 然后 *p == 4 。智能指針的好處就是， 自動 delete ！
• bind 函數，接受函數 f 和部分參數，返回currying后的匿名函數，譬如 bind(add, 4) 可以實現類似 add4 的函數！
• forward() 函數，類似于 move() 函數，后者是將參數右值化，前者是... 腫么說呢？大概意思就是：不改變最初傳入的類型的引用類型(左值還是左值，右值還是右值)；
• packaged_task 就是任務函數的封裝類，通過 get_future 獲取 future ， 然后通過 future 可以獲取函數的返回值(future.get())；packaged_task 本身可以像函數一樣調用 () ；
• queue 是隊列類， front() 獲取頭部元素， pop() 移除頭部元素；back() 獲取尾部元素，push() 尾部添加元素；
• lock_guard 是 mutex 的 stack 封裝類，構造的時候 lock()，析構的時候 unlock()，是 c++ RAII 的 idea；
• condition_variable cv; 條件變量， 需要配合 unique_lock 使用；unique_lock 相比 lock_guard 的好處是：可以隨時 unlock() 和 lock()。cv.wait() 之前需要持有 mutex，wait 本身會 unlock() mutex，如果條件滿足則會重新持有 mutex。
• 最后線程池析構的時候,join() 可以等待任務都執行完在結束,很安全!