【c++】线程池的原理及实现

---

📄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：

  1. 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
  2. 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。
  3. 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&) =