C++ 简单线程池实现

实现代码 

#include <vector>
#include <thread>
#include <queue>
#include <functional>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <future>

class ThreadPool {
public:
    ThreadPool(size_t threads) : stop(false) {
        for(size_t i = 0; i < threads; ++i) {
            workers.emplace_back([this] {
                for(;;) {
                    std::function<void()> task;
                    
                    {
                        std::unique_lock<std::mutex> lock(this->queue_mutex);
                        this->condition.wait(lock, 
                            [this]{ return this->stop || !this->tasks.empty(); });
                        if(this->stop && this->tasks.empty())
                            return;
                        task = std::move(this->tasks.front());
                        this->tasks.pop();
                    }
                    
                    task();
                }
            });
        }
    }
    
    template<class F, class... Args>
    auto enqueue(F&& f, Args&&... args) 
        -> std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type> {
        using return_type = typename std::result_of<F(Args...)>::type;
        
        auto task = std::make_shared<std::packaged_task<return_type()>>(
            std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...)
        );
            
        std::future<return_type> res = task->get_future();
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
            
            if(stop)
                throw std::runtime_error("enqueue on stopped ThreadPool");
                
            tasks.emplace([task](){ (*task)(); });
        }
        condition.notify_one();
        return res;
    }
    
    ~ThreadPool() {
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
            stop = true;
        }
        condition.notify_all();
        for(std::thread &worker: workers)
            worker.join();
    }

private:
    std::vector<std::thread> workers;
    std::queue<std::function<void()>> tasks;
    
    std::mutex queue_mutex;
    std::condition_variable condition;
    bool stop;
};

使用示例

#include <iostream>
#include <chrono>

int main() {
    ThreadPool pool(4);
    
    // 提交多个任务到线程池
    std::vector<std::future<int>> results;
    
    for(int i = 0; i < 8; ++i) {
        results.emplace_back(
            pool.enqueue([i] {
                std::cout << "hello " << i << std::endl;
                std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
                std::cout << "world " << i << std::endl;
                return i*i;
            })
        );
    }
    
    // 获取结果
    for(auto && result: results)
        std::cout << result.get() << ' ';
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

解析

ThreadPool 类定义

class ThreadPool {
public:
    ThreadPool(size_t threads);  // 构造函数，指定线程数量
    ~ThreadPool();               // 析构函数
    
    template<class F, class... Args>
    auto enqueue(F&& f, Args&&... args) 
        -> std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type>;
    
private:
    std::vector<std::thread> workers;       // 工作线程集合
    std::queue<std::function<void()>> tasks; // 任务队列
    
    std::mutex queue_mutex;                 // 任务队列互斥锁
    std::condition_variable condition;      // 条件变量
    bool stop;                              // 停止标志
};

构造函数解析

ThreadPool(size_t threads) : stop(false) {
    for(size_t i = 0; i < threads; ++i) {
        workers.emplace_back([this] {
            // 线程工作函数
            for(;;) {
                std::function<void()> task;
                
                {
                    // 获取队列锁
                    std::unique_lock<std::mutex> lock(this->queue_mutex);
                    
                    // 等待条件满足：停止或任务队列非空
                    this->condition.wait(lock, 
                        [this]{ return this->stop || !this->tasks.empty(); });
                    
                    // 如果停止且任务为空，线程退出
                    if(this->stop && this->tasks.empty())
                        return;
                        
                    // 获取任务
                    task = std::move(this->tasks.front());
                    this->tasks.pop();
                }
                
                // 执行任务（在锁外执行，避免锁持有时间过长）
                task();
            }
        });
    }
}

1. stop(false) - 初始化停止标志为false

2. workers.emplace_back - 创建并启动工作线程

3. for(;;) - 线程无限循环，等待任务

4. std::unique_lock<std::mutex> - 获取队列锁

5. condition.wait - 等待条件变量通知，防止忙等待

      条件：stop || !tasks.empty()（停止或有任务）

6. 检查是否应该退出线程

7. 从队列获取任务并移出队列

8. 在锁外执行任务

enqueue 方法解析

template<class F, class... Args>
auto enqueue(F&& f, Args&&... args) 
    -> std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type> {
    // 获取返回类型
    using return_type = typename std::result_of<F(Args...)>::type;
    
    // 创建packaged_task包装可调用对象
    auto task = std::make_shared<std::packaged_task<return_type()>>(
        std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...)
    );
        
    // 获取future以便获取结果
    std::future<return_type> res = task->get_future();
    {
        // 获取队列锁
        std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
        
        // 如果线程池已停止，抛出异常
        if(stop)
            throw std::runtime_error("enqueue on stopped ThreadPool");
            
        // 将任务添加到队列
        tasks.emplace([task](){ (*task)(); });
    }
    // 通知一个等待线程有新任务
    condition.notify_one();
    return res;
}

1. 模板参数：

   • F - 可调用对象类型

   • Args - 参数类型包

2. 返回类型推导：

   • std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type>

3. std::packaged_task - 包装可调用对象，可以获取future

4. std::bind - 绑定参数

5. std::forward - 完美转发参数

6. task->get_future() - 获取与任务关联的future

7. 锁保护下的队列操作

8. condition.notify_one() - 通知一个等待线程

析构函数解析

~ThreadPool() {
    {
        // 获取锁并设置停止标志
        std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
        stop = true;
    }
    // 通知所有线程
    condition.notify_all();
    // 等待所有线程完成
    for(std::thread &worker: workers)
        worker.join();
}

1. 设置停止标志stop = true

2. condition.notify_all() - 唤醒所有等待线程

3. worker.join() - 等待所有线程结束

动态调整线程数量

void resize(size_t new_size) {
    if (new_size < workers.size()) {
        // 减少线程数量
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
            stop = true;
        }
        condition.notify_all();
        for (std::thread &worker : workers)
            worker.join();
        
        workers.clear();
        stop = false;
        
        for (size_t i = 0; i < new_size; ++i) {
            workers.emplace_back([this] {
                // 线程工作函数
            });
        }
    } else if (new_size > workers.size()) {
        // 增加线程数量
        for (size_t i = workers.size(); i < new_size; ++i) {
            workers.emplace_back([this] {
                // 线程工作函数
            });
        }
    }
}

 任务优先级

#include <queue>

// 修改任务队列定义
struct Task {
    std::function<void()> func;
    int priority;
    
    bool operator<(const Task& other) const {
        return priority < other.priority; // 优先级高的先执行
    }
};

std::priority_queue<Task> tasks;

// 修改enqueue方法
template<class F, class... Args>
auto enqueue(int priority, F&& f, Args&&... args) 
    -> std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type> {
    // ... 其他代码不变
    tasks.emplace(Task{[task](){ (*task)(); }, priority});
    // ...
}