C++11的半同步半异步线程池

2023-11-10

C++11的半同步半异步线程池

简介
同步队列
线程池
主函数测试

简介

半同步半异步线程池用的比较多，实现也比较简单。

其中同步层包括同步服务层和排队层，指的是将接收的任务排队，将所有的任务排队到一个队列中，等待处理；

异步层指多个线程处理任务，异步处理层从同步层取出任务，并发处理任务。

在这里插入图片描述

同步队列

同步队列属于同步层的内容，主要作用是保证队列中共享数据线程安全，同时也提供新增任务的接口，以及提供取任务的接口。

这里使用C++11的锁、条件变量、右值引用、std::move和std::forward来实现。

同步队列主要包括三个函数，Take、Add和Stop。

Take函数

这里实现重载了两个Take函数，可支持一次获取多个任务，或者一次获取一个任务。

//可一次性获取多个任务，放在list中，减少互斥锁阻塞时间
	void Take(std::list<T>& list)
	{
		std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex);
		m_notEmpty.wait(locker, [this] {return m_needStop || NotEmpty(); });
		if (m_needStop)
		{
			return;
		}
		list = std::move(m_queue);
		m_notFull.notify_one();
	}
	//获取单个任务
	void Take(T& t)
	{
		std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex);
		m_notEmpty.wait(locker, [this] {return m_needStop || NotEmpty(); });
		if (m_needStop)
		{
			return;
		}
		t = m_queue.front();
		m_queue.pop_front();
		m_notFull.notify_one();
	}

先创建一个unique *lock 获取 mutex，然后再通过条件变量 m_*notEmpty 来等待判断式。判断式由两个条件组成，一个是停止的标志，另一个是不为空的条件，当不满足任何一个条件时，条件变量会释放 mutex 并将线程置于 waiting 状态，等待其他线程调用 notify_one/notify all 将其唤醒;当满足任何一个条件时，则继续往下执行后面的逻辑，即将队列中的任务取出，并唤醒一个正处于等待状态的添加任务的线程去添加任务。当处于 waiting 状态的线程被 notify_one 或notify all 唤醒时，条件变量会先重新获取 mutex，然后再检查条件是否满足，如果满足，则往下执行，如果不满足，则释放 mutex 继续等待。

Add函数

Add 的过程和 Take 的过程是类似的，也是先获取 mutex，然后检查条件是否满足，不满足条件时，释放 mutex 继续等待，如果满足条件，则将新的任务插入到队列中，并唤醒取任务的线程去取数据。

template<typename F>
	void Add(F &&x)
	{
		std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex);
		m_notFull.wait(locker, [this] {return m_needStop || NotFull(); });
		if (m_needStop)
			return;
		m_queue.emplace_back(std::forward<F>(x));
		m_notEmpty.notify_one();
	}

Stop函数

Stop 函数先获取 mutex，然后将停止标志置为 true。注意，为了保证线程安全，这里需要先获取 mutex，在将其标志置为 true 之后，再唤醒所有等待的线，因为等待的条件是m_needStop，并且满足条件，所以线程会继续往下执行。由于线程在 m_needStop 为 true 时会退出，所以所有的等待线程会相继退出。

另外一个值得注意的地方是，我们把 m notFull.notify_all0放到lock_guard 保护范围之外了，这里也可以将 m_notFull.notify all0)放到ockguard保护范围之内，放到外面是为了做一点优化。因为 notify_one 或 notify_all 会唤醒一个在等待的线程，线程被唤醒后会先获取 mutex 再检查条件是否满足，如果这时被 lock guard保护，被唤醒的线程则需要 lock guard 析构释放 mutex 才能获取(即stop函数执行完了才释放)。如果在 lock_guard 之外notify_one 或notify_all，被唤醒的线程获取锁的时候不需要等待 lock_guard 释放锁，性能会好一点，所以在执行 notify_one或notify_all 时不需要加锁保护。

void Stop()
	{
		{
			std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex);
			m_needStop = true;
		}
		m_notFull.notify_all();
		m_notEmpty.notify_all();
	}

SyncQueue完整代码

”SyncQueue.h”

同步队列整体代码：

#pragma once
#include <iostream>
#include <list>
#include <mutex>

using namespace std;

template<typename T>
class SyncQueue
{
public:
	SyncQueue(int maxSize) :m_maxSize(maxSize), m_needStop(false)
	{
	}
	void Put(const T &x)
	{
		Add(x);
	}

	void Put(T &&x)
	{
		Add(std::forward<T>(x));
	}
	//可一次性获取多个任务，放在list中，减少互斥锁阻塞时间
	void Take(std::list<T>& list)
	{
		std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex);
		m_notEmpty.wait(locker, [this] {return m_needStop || NotEmpty(); });
		if (m_needStop)
		{
			return;
		}
		list = std::move(m_queue);
		m_notFull.notify_one();
	}
	//获取单个任务
	void Take(T& t)
	{
		std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex);
		m_notEmpty.wait(locker, [this] {return m_needStop || NotEmpty(); });
		if (m_needStop)
		{
			return;
		}
		t = m_queue.front();
		m_queue.pop_front();
		m_notFull.notify_one();
	}
	void Stop()
	{
		{
			std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex);
			m_needStop = true;
		}
		m_notFull.notify_all();
		m_notEmpty.notify_all();
	}
	bool Empty()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex);
		return m_queue.empty();
	}
	bool Full()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex);
		return m_queue.size() == m_maxSize;
	}
	//可以获取任务数量
	int Count()
	{
		return m_queue.size();
	}
private:
	bool NotFull() const
	{
		bool full = m_queue.size() >= m_maxSize;
		if (full)
		{
			cout << "缓冲区满了，需要等待。。。" << endl;
		}
		return !full;
	}
	bool NotEmpty() const
	{
		bool empty = m_queue.empty();
		if (empty)
		{
			cout << "缓冲区空了，需要等待。。。，异步层的线程ID：" << this_thread::get_id() << endl;
		}
		return !empty;
	}
	template<typename F>
	void Add(F &&x)
	{
		std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex);
		m_notFull.wait(locker, [this] {return m_needStop || NotFull(); });
		if (m_needStop)
			return;
		m_queue.emplace_back(std::forward<F>(x));
		m_notEmpty.notify_one();
	}
private:
	std::list<T> m_queue; //缓冲区
	std::mutex m_mutex; //互斥量
	std::condition_variable m_notEmpty; //不为空的条件变量
	std::condition_variable m_notFull; //没有满的条件变量
	int m_maxSize; //同步队列最大的size
	bool m_needStop; //停止的标志
};

线程池

“ThreadPool.h”

线程池ThreadPool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人，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，我们用到了原子变量 atomic bool。下一节中将展示使用这个半同步半异步的线程池的实例。

#include<list>
#include<thread>
#include<functional>
#include<memory>
#include<atomic>
#include "SyncQueue.h"

const int MaxTaskCount = 100;
class ThreadPool
{
public:
	using Task = std::function<void()>;
	ThreadPool(int numThreads = std::thread::hardware_concurrency()) : m_queue(MaxTaskCount)
	{
		Start(numThreads);
	}
	~ThreadPool(void)
	{
		Stop();
	}
	void Stop()
	{
		//保证多线程情况下只调用一次 StopThreadGroup
		std::call_once(m_flag, [this] {StopThreadGroup(); });
	}
	//可输入右值，例如lambda表达式
	void AddTask(Task&& task)
	{
		m_queue.Put(std::forward<Task>(task));
	}
	void AddTask(const Task& task)
	{
		m_queue.Put(task);
	}
	void Start(int numThreads)
	{
		m_running = true;
		//创建线程组
		for (int i = 0; i < numThreads; ++i)
		{
			m_threadgroup.emplace_back(std::make_shared<std::thread>(&ThreadPool::RunInThread, this));
		}
	}
private:
	
	void RunInThread()
	{
		while (m_running)
		{
			//取任务分别执行
			std::list<Task> list;
			m_queue.Take(list);

			for (auto& task : list)
			{
				if (!m_running)
					return;
				task();
			}
		}
	}
	void StopThreadGroup()
	{
		m_queue.Stop(); //让同步队列中的线程停止
		m_running = false; //置为false,让内部线程跳出循环并退出

		for (auto thread : m_threadgroup)
		{
			if (thread)
				thread->join();
		}
		m_threadgroup.clear();

	}
	std::list<std::shared_ptr<std::thread>> m_threadgroup; //处理任务的线程组
	SyncQueue<Task> m_queue; //同步队列
	atomic_bool m_running; //是否停止的标志
	std::once_flag m_flag;
};

主函数测试

#include <iostream>
#include "ThreadPool.h"
using namespace std;

void TestThdPool()
{
	ThreadPool pool(2);//创建一个2个线程的线程池

	//创建一个线程来添加10个任务1
	std::thread thd1([&pool] {
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			auto thdId = this_thread::get_id();
			pool.AddTask([thdId] {//添加任务可以使用lambda表达式，代码中实现了右值作为参数输入
				cout << "同步线程1的线程ID:" << thdId << endl;
			});
		}
	});
	//创建一个线程来添加20个任务2
	std::thread thd2([&pool] {
		for (int i = 0; i < 20; i++)
		{
			auto thdId = this_thread::get_id();
			pool.AddTask([thdId] {
				cout << "同步线程2的线程ID:" << thdId << endl;
			});
		}
	});

	this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
	getchar();
	pool.Stop();
	thd1.join();
	thd2.join();
}
int main()
{
	TestThdPool();
	return 0;
}

运行结果：
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