C++線程池實現(xiàn)
更新時間：2025年02月05日 08:28:32 作者：OpenC++
線程池是一種并發(fā)編程技術(shù),通過預先創(chuàng)建一組線程并復用它們來執(zhí)行多個任務,避免了頻繁創(chuàng)建和銷毀線程的開銷,本文就來介紹一下C++線程池實現(xiàn),感興趣的可以了解一下
一、線程池簡介
線程池是一種并發(fā)編程技術(shù)，通過預先創(chuàng)建一組線程并復用它們來執(zhí)行多個任務，避免了頻繁創(chuàng)建和銷毀線程的開銷。它特別適合處理大量短生命周期任務的場景（如服務器請求、并行計算）。
線程池的核心組件
1. 任務隊列（Task Queue）
存儲待執(zhí)行的任務（通常是函數(shù)對象或可調(diào)用對象）。
2. 工作線程（Worker Threads）
一組預先創(chuàng)建的線程，不斷從隊列中取出任務并執(zhí)行。
3. 同步機制互斥鎖（Mutex）：保護任務隊列的線程安全訪問。
條件變量（Condition Variable）：通知線程任務到達或線程池終止。
實現(xiàn)步驟
1. 初始化線程池創(chuàng)建固定數(shù)量的線程，每個線程循環(huán)等待任務。
2. 提交任務將任務包裝成函數(shù)對象，加入任務隊列。
3. 任務執(zhí)行工作線程從隊列中取出任務并執(zhí)行。
4. 終止線程池發(fā)送停止信號，等待所有線程完成當前任務后退出。
二、C++11實現(xiàn)線程池
源碼
#include <vector>
#include <queue>
#include <future>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <functional>
#include <stdexcept>
class ThreadPool
{
public:
//構(gòu)造函數(shù)：根據(jù)輸入的線程數(shù)（默認硬件并發(fā)數(shù)）創(chuàng)建工作線程。
//每個工作線程執(zhí)行一個循環(huán)，不斷從任務隊列中取出并執(zhí)行任務。
//explicit關(guān)鍵字防止隱式類型轉(zhuǎn)換
explicit ThreadPool(size_t threads = std::thread::hardware_concurrency())
: stop(false)
{
if (threads == 0)
{
threads = 1;
}
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);
//等待條件：線程通過條件變量等待任務到來或停止信號。(CPU使用率：休眠時接近0%，僅在任務到來時喚醒)
//lambda表達式作為謂詞，當條件(停止信號為true 或 任務隊列非空)為真時，才會解除阻塞。
this->condition.wait(lock, [this] {
return (this->stop || !this->tasks.empty());
});
/* 傳統(tǒng)忙等待：while (!(stop || !tasks.empty())) {} // 空循環(huán)消耗CPU */
if (this->stop && this->tasks.empty())
{
//如果線程池需要終止且任務隊列為空則直接return
return;
}
//任務提?。簭年犃兄腥〕鋈蝿詹?zhí)行，使用std::move避免拷貝開銷。
task = std::move(this->tasks.front());
this->tasks.pop();
}
//執(zhí)行任務
task();
}
});
}
}
//任務提交（enqueue方法）
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;
//任務封裝：使用std::packaged_task包裝用戶任務，支持異步返回結(jié)果。
//智能指針管理：shared_ptr確保任務對象的生命周期延續(xù)至執(zhí)行完畢。
//完美轉(zhuǎn)發(fā)：通過std::forward保持參數(shù)的左值/右值特性。
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)(); });
/* push傳入的對象需要事先構(gòu)造好，再復制過去插入容器中；
而emplace則可以自己使用構(gòu)造函數(shù)所需的參數(shù)構(gòu)造出對象，并直接插入容器中。
emplace相比于push省去了復制的步驟，則使用emplace會更加節(jié)省內(nèi)存。*/
}
condition.notify_one();
return res;
}
~ThreadPool()
{
//設置stop標志，喚醒所有線程，等待任務隊列清空。
{
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; //存儲工作線程對象
std::queue<std::function<void()>> tasks; //任務隊列，存儲待執(zhí)行的任務
std::mutex queue_mutex; //保護任務隊列的互斥鎖
std::condition_variable condition; //線程間同步的條件變量
bool stop; //線程池是否停止標志
};
三、線程池源碼解析
1. 成員變量
std::vector<std::thread> workers; // 工作線程容器 std::queue<std::function<void()>> tasks; // 任務隊列 std::mutex queue_mutex; // 隊列互斥鎖 std::condition_variable condition; // 條件變量 bool stop; // 停機標志
設計要點:
采用生產(chǎn)者-消費者模式，任務隊列作為共享資源
組合使用
mutex+condition_variable實現(xiàn)線程同步vector存儲線程對象便于統(tǒng)一管理生命周期
2. 構(gòu)造函數(shù)
2.1 線程初始化
explicit ThreadPool(size_t threads = std::thread::hardware_concurrency())
: stop(false)
{
if (threads == 0)
{
threads = 1;
}
for (size_t i = 0; i < threads; ++i)
{
workers.emplace_back([this] { /* 工作線程邏輯 */ });
}
}
設計要點:
explicit防止隱式類型轉(zhuǎn)換（如ThreadPool pool = 4;）默認使用硬件并發(fā)線程數(shù)（通過
hardware_concurrency()）最少創(chuàng)建1個線程避免空池
使用
emplace_back直接構(gòu)造線程對象
2.2 工作線程邏輯
for (;;)
{
std::function<void()> task;
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
condition.wait(lock, [this] {
return stop || !tasks.empty();
});
if (stop && tasks.empty())
{
return;
}
task = std::move(tasks.front());
tasks.pop();
}
task();
}
核心機制:
unique_lock配合條件變量實現(xiàn)自動鎖管理雙重狀態(tài)檢查（停機標志+隊列非空）
任務提取使用移動語義避免拷貝
任務執(zhí)行在鎖作用域外進行
3. 任務提交(enqueue方法)
3.1 方法簽名
template<class F, class... Args>
auto enqueue(F&& f, Args&&... args)
-> std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type>
類型推導:
- 使用尾置返回類型聲明
std::result_of推導可調(diào)用對象的返回類型- 完美轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)（
F&&+Args&&...）
3.2 任務封裝
auto task = std::make_shared<std::packaged_task<return_type()>>
(std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...));
封裝策略:
packaged_task包裝任務用于異步獲取結(jié)果shared_ptr管理任務對象生命周期std::bind綁定參數(shù)（注意C++11的參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)限制）
3.3 任務入隊
tasks.emplace([task]() { (*task)(); });
優(yōu)化點:
- 使用
emplace直接構(gòu)造隊列元素 Lambda捕獲shared_ptr保持任務有效性- 顯式解引用執(zhí)行
packaged_task
4. 析構(gòu)函數(shù)
4.1 停機控制
~ThreadPool()
{
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
stop = true;
}
condition.notify_all();
for (auto& worker : workers)
{
worker.join();
}
}
停機協(xié)議:
- 設置停機標志原子操作
- 廣播喚醒所有等待線程
- 等待所有工作線程退出
5. 關(guān)鍵技術(shù)點解析
5.1 完美轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)
std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...)
- 保持參數(shù)的左右值特性
- 支持移動語義參數(shù)的傳遞
- C++11的限制：無法完美轉(zhuǎn)發(fā)所有參數(shù)類型
5.2 異常傳播機制
- 任務異常通過
future對象傳播 packaged_task自動捕獲異常- 用戶通過
future.get()獲取異常
5.3 內(nèi)存管理模型
[任務提交者]
|
v
[packaged_task] <---- shared_ptr ---- [任務隊列]
|
v
[future]
- 三重生命周期保障：
提交者持有
future隊列持有任務包裝器
工作線程執(zhí)行任務
四、 性能特征分析
1. 時間復雜度
| 操作 | 時間復雜度 |
|---|---|
| 任務提交(enqueue) | O(1)（加鎖開銷） |
| 任務提取 | O(1) |
| 線程喚醒 | 取決于系統(tǒng)調(diào)度 |
2. 空間復雜度
| 組件 | 空間占用 |
|---|---|
| 線程棧 | 每線程MB級 |
| 任務隊列 | 與任務數(shù)成正比 |
| 同步原語 | 固定大小 |
五、 擴展優(yōu)化方向
1. 任務竊?。╓ork Stealing）
- 實現(xiàn)多個任務隊列
- 空閑線程從其他隊列竊取任務
2. 動態(tài)線程池
void adjust_workers(size_t new_size)
{
if (new_size > workers.size())
{
// 擴容邏輯
}
else
{
// 縮容邏輯
}
}
3. 優(yōu)先級隊列
using Task = std::pair<int, std::function<void()>>; // 優(yōu)先級+任務 std::priority_queue<Task> tasks;
4. 無鎖隊列
moodycamel::ConcurrentQueue<std::function<void()>> tasks;
六、 典型問題排查指南
| 現(xiàn)象 | 可能原因 | 解決方案 |
|---|---|---|
| 任務未執(zhí)行 | 線程池提前析構(gòu) | 延長線程池生命周期 |
future.get()永久阻塞 | 任務未提交/異常未處理 | 檢查任務提交路徑 |
| CPU利用率100% | 忙等待或鎖競爭 | 優(yōu)化任務粒度/使用無鎖結(jié)構(gòu) |
| 內(nèi)存持續(xù)增長 | 任務對象未正確釋放 | 檢查智能指針使用 |
該實現(xiàn)完整展現(xiàn)了現(xiàn)代C++線程池的核心設計范式，開發(fā)者可根據(jù)具體需求在此基礎進行功能擴展和性能優(yōu)化。理解這個代碼結(jié)構(gòu)是掌握更高級并發(fā)模式的基礎。
七、 測試用例
使用實例（C++11兼容）：
#include <iostream>
int main()
{
ThreadPool pool(4);
// 提交普通函數(shù)
auto future1 = pool.enqueue([](int a, int b) {
return a + b;
}, 2, 3);
// 提交成員函數(shù)
struct Calculator
{
int multiply(int a, int b)
{
return a * b;
}
} calc;
auto future2 = pool.enqueue(std::bind(&Calculator::multiply, &calc,
std::placeholders::_1,
std::placeholders::_2), 4, 5);
// 異常處理示例
auto future3 = pool.enqueue([]() -> int {
throw std::runtime_error("example error");
return 1;
});
std::cout << "2+3=" << future1.get() << std::endl;
std::cout << "4*5=" << future2.get() << std::endl;
try
{
future3.get();
}
catch(const std::exception& e)
{
std::cout << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;
}
return 0;
}到此這篇關(guān)于C++線程池實現(xiàn)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++線程池內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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