一、概念
固定式线程池是一个固定大小的线程池,在创建时会指定线程池中线程的数量。每当有任务提交到线程池时,线程池会启动一个线程来执行任务,直到达到线程池的最大线程数。
二、同步队列(缓冲区)
同步队列为线程池中三层结构的中间层,主要作用是保证任务队列中,共享数据的线程安全,还为上一层同步服务层添加新任务的接口,以及为下一层异步服务层提供获取任务的接口。同时,还要限制任务数的上限,避免任务过多导致内存暴涨的问题。
同步队列的实现,会用到C++11互斥锁、条件变量、右值引用、std::move以及完美转发。std::move是为了实现移动语义,std::forward是为了实现完美转发,关于右值引用、移动语义和完美转发。同步队列的锁是用来实现线程同步的,条件变量是用来实现线程间通信的,即线程池空了就要等待,不为空就通知一个线程去处理;线程池满了就等待,直到没有满的时候才通知上层添加任务。
增加了Stop接口,以便让用户能终止任务,还做了进一步的改进,以提高性能。除了void Take(T& x)接口,每次获取到锁后,只能获取一个数据,其实这时队列中可能有多条数据,如果每条数据都加锁获取,效率是很低的,这里做出改进,做到一次加锁就能将队列中所有数据都取出来,从而大大减少加锁的次数。在获取互斥锁之后,我们不再只获取一条数据,而是通过std::move来将队列中所有数据move到外面去,这样既大大减少了获取数据加锁的次数,又直接通过移动避免了数据的复制,提高了性能。
const int MaxTaskCount=200;//最大任务数量
template<class T>
class SyncQueue
{
private:
std::list<T> m_queue;//任务缓冲区
mutable std::mutex m_mutex;//缓冲区互斥
std::condition_variable m_notEmpty;//消费者的条件变量
std::condition_variable m_notFull;//生产者的条件变量
int m_maxSize;//缓冲区任务数上限值
bool m_needStop;//同步队列的停止标志
bool IsFull()const;
bool IsEmpty()const;
template<class F>
void Add(F&& task);
public:
SyncQueue(int maxsize);
~SyncQueue();//析构调用Stop
void Put(const T& task);
void Put(T&& task);
void Take(std::list<T>& list);
void Take(T& task);
void Stop();
bool Empty()const;
bool Full()const;
size_t Size()const;
size_t Count()const;
};
三、线程池的设计
一个完整的线程池包括三层:同步服务层、排队层和异步服务层,其实这也是一种生产者-消费者模型,同步层是生产者,不断地将任务添加到排队层中,因此,线程池需要提供一个添加新任务的接口供生产者使用;消费者是异步层,具体是由线程池中预先创建的线程去处理排队层中的任务。排队层是一个同步队列,它内部保证了上下两层对共享数据的安全访问,同时还要保证队列不会被无限制地添加任务导致内存暴涨。另外,线程池还要提供一个停止的接口,让用户能够在需要的时候停止线程池的运行。
ThreadPool中有3个成员变量,一个是线程组,这个线程组中的线程是预先创建的,应该创建多少个线程由外面传入,一般建议创建CPU核数的线程以达到最优的效率,线程组循环从同步队列中取出任务并执行,如果线程池为空,线程组将处于等待状态,等待任务的到来。另一个成员变量是同步队列,它不仅用来做线程同步,还用来限制同步队列的上限,这个上限也是由使用者设置的。第三个成员变量是用来停止线程池的,为了保证线程安全,我们用到原子变量atomic_bool。