基于C++11的线程池

背景

在传统的收到任务即创建线程的情况下，我们每收到一个任务，就创建一个线程，执行任务，销毁线程，

我们把这三个过程所用的时间分别记做T1,T2,T3

任务本身所用的时间仅占T2/(T1+T2+T3),这在任务本身所用时间很短的情况下，效率是很低的

此外，通常操作系统所能创建的线程数量都是有限的，并不能无限制的创建线程。

而在线程池中，我们通常会预先创建m个线程，放到空闲容器中，当有任务来临时，线程池会从空闲的线程中挑选一个线程来执行该任务，

在执行完毕后再将其放回空闲容器中

C++11

在C++11中，C++对线程提供了一个很高的抽象，并没有很好的提供优先级控制等功能，需要调用std::thread::native_handle()，获取原生线程对象

运行平台特定的操作，但这就丧失了std::thread在不同平台上代码层面的一致性。

所以在项目中实现了对std::thread二次封装，并提供了基本的优先级控制

项目概述

项目中有一个主线程，即运行程序时创建的线程可以从用户那里获取任务，还有一个管理线程，用于进行线程池中线程的调度，还有初始化线程池时创建的若干空闲线程，用于执行任务

项目中主要有以下几个类：

Task:任务类，内有任务的优先级，和一个纯虚Run方法，我们需要派生Task，将要完成的任务写到Run方法中

MyThread：线程类，封装了C++11的thread，每一个线程可以关联一个Task对象，执行其Run方法

BusyThreadContainer:工作容器类，采用std::list<MyThread*>实现，储存工作状态的线程

IdleThreadContainer:空闲容器类，采用std::vector<MyThread*>实现，储存处于空闲状态的线程

TaskContainer:任务容器类，采用priority_queue<Task*>实现,储存所有用户添加未执行的任务

MyThreadPool:线程池类，用于从用户获取任务，管理任务，实现对线程池中线程的调度

类图如下

MainDig

*UserTask为用户自己编写的从Task派生的任务类

Task类

namespace
{enum  PRIORITY{MIN = 1, NORMAL = 25, MAX = 50};
}class Task
{public:Task(){}void SetPriority(int priority){if (priority>(PRIORITY::MAX)){priority = (PRIORITY::MAX);}else if (priority>(PRIORITY::MAX)){priority = (PRIORITY::MIN);}}    virtual void Run() = 0;
protected:int priority_;
};

void SetPriority(int priority) ：设置线程的优先级，数值在1-50之间，值越大，优先级越高

virtual void run() = 0：线程执行的方法，用户需要重写为自己的方法

MyThread类

class MyThread
{friend bool operator==(MyThread my1, MyThread my2);friend bool operator!=(MyThread my1, MyThread my2);
public:MyThread(MyThreadPool *pool);void Assign(Task *Task);void Run();void StartThread();int getthreadid();void setisdetach(bool isdetach);    
private:MyThreadPool *mythreadpool_;static int  s_threadnumber;bool isdetach_;Task *task_;int threadid_;std::thread thread_;
};

方法：

MyThread(MyThreadPool *pool)：构造一个MyThread对象，将自己与指定的线程池相关联起来

void Assign(Task *Task)：将一个任务与该线程相关联起来

void Run()：调用了Task的Run方法，同时在Task的Run方法结束后将自己从工作容器移回空闲容器

void StartThread()：执行线程的Run方法，即执行了Task的Run方法

int getthreadid()：获取线程的id号

void setisdetach(bool isdetach)：设置线程在运行的时候是join还是detach的

BusyThreadContainer类

class BusyThreadContainer
{public:BusyThreadContainer();~BusyThreadContainer();void push(MyThread *m);std::list<MyThread*>::size_type size();void erase(MyThread *m);private:std::list<MyThread*> busy_thread_container_;typedef std::list<MyThread*> Container;typedef Container::iterator Iterator;
};

void push(MyThread *m)：将一个线程放入工作容器中

void erase(MyThread *m)：删除一个指定的线程

std::list<MyThread*>::size_type size()：返回工作容器的大小

IdleThreadContainer类

class IdleThreadContainer
{public:IdleThreadContainer();~IdleThreadContainer();std::vector<MyThread*>::size_type size();void push(MyThread *m);void assign(int n,MyThreadPool* m);    MyThread* top();void pop();void erase(MyThread *m);
private:std::vector<MyThread*> idle_thread_container_;typedef std::vector<MyThread*> Container;typedef Container::iterator Iterator;
};

~IdleThreadContainer(); ：负责析构空闲容器中的线程

void push(MyThread *m)：将一个线程放回空闲容器中

void assign(int n,MyThreadPool* m)：创建n个线程与线程池m相关联的线程放入空闲容器中

MyThread* top()：返回位于空闲容器顶端的线程

void pop()：弹出空闲容器顶端的线程

void erase(MyThread *m)：删除一个指定的线程

TaskContainer类

class TaskContainer
{
public:TaskContainer();~TaskContainer();void push(Task *);Task* top();void pop();std::priority_queue<Task*>::size_type size();
private:std::priority_queue<Task*> task_container_;
};

void push(Task *)：将一个任务放入任务容器中

Task* top()：返回任务容器顶端的任务

void pop()：将任务容器顶端的线程弹出

std::priority_queue<Task*>::size_type size()：返回任务容器的大小

MyThreadPool类

class MyThreadPool
{
public:MyThreadPool(){}MyThreadPool(int number);~MyThreadPool();void AddTask(Task *Task,int priority);void AddIdleThread(int n);void RemoveThreadFromBusy(MyThread *myThread);void Start();void EndMyThreadPool();private:BusyThreadContainer busy_thread_container_;IdleThreadContainer idle_thread_container_;bool issurvive_;TaskContainer task_container_;std::thread thread_this_;std::mutex busy_mutex_;std::mutex idle_mutex_;std::mutex task_mutex_;int number_of_thread_;

};

MyThreadPool(int number)：构造MyThreadPool，创建包含number个线程的空闲容器

void AddTask(Task *Task,int priority)：添加一个优先级为priority的任务到任务容器中

void AddIdleThread(int n)：在创建n个空闲线程到空闲容器中

void RemoveThreadFromBusy(MyThread *myThread)：将一个线程从工作容器中删除，并移回空闲容器中

void Start()：判断是否有空闲线程，如有将任务从从任务容器中提出，放入空闲容器中，等待执行

void EndMyThreadPool()：结束线程池的运行

派生自Task的MyTask类

class MyTask :public Task
{friend bool operator<(MyTask  &lv,MyTask &rv){return lv.priority_ < rv.priority_;}
public:MyTask();~MyTask();virtual void Run();void setdata(int d);
private:int data_;
};

MyTask::MyTask()
{
}
MyTask::~MyTask()
{
}
void MyTask::setdata(int d)
{data_ = d;
}
void MyTask::Run()
{std::cout << "Hello I am "<<data_ << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}

friend bool operator<(MyTask &lv,MyTask &rv) ：用于确定任务在任务容器中的位置

Run：自定义的Run方法

void setdata(int d)：设置数据

关键代码分析：

void MyThread::Run()

void MyThread::Run()
{cout <<"Thread:"<< threadid_ << " run ";task_->Run();mythreadpool_->RemoveThreadFromBusy(this);
}

调用了Task的Run方法，同时在Task的Run方法结束后，通知线程池将自己从工作容器中移回空闲容器

void MyThread::StartThread()

void MyThread::StartThread()
{thread_ = thread(&MyThread::Run, this);if (isdetach_ == true)thread_.detach();elsethread_.join();
}

将MyThread的Run方法与thread_相绑定，this表示类的Run方法的第一个隐含的参数

然后根据isdetach的值，判断是否detach() or join()

void MyThreadPool::RemoveThreadFromBusy(MyThread *myThread)

void MyThreadPool::RemoveThreadFromBusy(MyThread *myThread)
{busy_mutex_.lock();cout << "Thread:" << myThread->getthreadid()<< " remove from busylist" << endl;busy_thread_container_.erase(myThread);busy_mutex_.unlock();idle_mutex_.lock();idle_thread_container_.push(myThread);idle_mutex_.unlock();
}

将一个线程从任务容器中移除，并将其放回空闲容器中，

使用busy_mutex_和idle_mutex_进行加锁和解锁，确保数据的一致性

MyThreadPool::MyThreadPool(int number)

MyThreadPool::MyThreadPool(int number)
{issurvive_ = true;number_of_thread_ = number;idle_thread_container_.assign(number, this);thread_this_ =thread(&MyThreadPool::Start, this);thread_this_.detach();
}

MyThreadPool的构造函数，创建number个空闲线程与空闲容器中，同时创建管理线程thread_this，用于进行线程池中线程的调度

void MyThreadPool::Start()

void MyThreadPool::Start()
{while (true){if (issurvive_==false){busy_mutex_.lock();if (busy_thread_container_.size()!=0){busy_mutex_.unlock();continue;}busy_mutex_.unlock();break;}idle_mutex_.lock();if (idle_thread_container_.size() == 0){idle_mutex_.unlock();continue;}idle_mutex_.unlock();task_mutex_.lock();if (task_container_.size() == 0){task_mutex_.unlock();continue;}Task *b = task_container_.top();;task_container_.pop();task_mutex_.unlock();idle_mutex_.lock();MyThread *mythread = idle_thread_container_.top();;idle_thread_container_.pop();mythread->Assign(b);idle_mutex_.unlock();busy_mutex_.lock();busy_thread_container_.push(mythread);busy_mutex_.unlock();mythread->StartThread();}
}

管理线程对应的Start方法，内有一个死循环，不停的判断任务容器中是否有任务，和是否有空闲线程来执行任务，若有，则将任务从

任务容器中提出，从空闲线程中提取出一个空闲线程与其绑定，执行该任务，同时将该线程从空闲容器移动到工作容器中。

当线程池想要结束运行时，即survive为false时，首先要判断工作容器是否为空，若不为空，则代表还有任务正在被线程执行，线程池不能结束运行

否则可以结束线程池的运行，跳出死循环

int main()

int main()
{MyThreadPool mythreadPool(10);MyTask j[50];for (int i = 0; i < 50;i++){j[i].setdata(i);}for (int i = 0; i < 50; i++){mythreadPool.AddTask(&j[i],i);}int i;//按100添加一个任务//按-1结束线程池while (true){cin >> i;    if (i == 100){MyTask j;j.setdata(i);mythreadPool.AddTask(&j, i);}if (i == -1){        mythreadPool.EndMyThreadPool();break;}        }system("pause");
}