c++11实现一个半同步半异步线程池

在处理大量并发任务的时候,如果按照传统的方式,一个请求一个线程来处理请求任务,大量的线程创建和销毁将消耗过多的资源,还增加了线程上下文切换的开销,而通过线程池技术就可以很好的解决这些问题,线程池技术通过在系统中预先创建一定数量的线程,当任务请求到来时从线程池中分配一个预先创建的线程去处理任务,线程在完成任务之后还可以重用,不会销毁,而是等待下次任务的到来.

分层

半同步半异步线程池分为三层:

同步服务层: 它处理来自上层的任务请求,上层的请求可能是并发的,这些请求不是马上就会被处理的,而是将这些任务放到一个同步排队层中,等待处理.

同步排队层: 来自上层的任务请求都会加到排队层中等待处理.

异步服务层: 这一层中会有多个线程同时处理排队层中的任务,异步服务层从同步排队层中取出任务并行的处理.

线程池实现

#include 
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#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

/********************************同步队列******************************/

template 
class syncqueue
{
public:
    syncqueue(int maxsize): m_maxsize(maxsize), m_needstop(false) { }

    //添加事件
    void put(const t& x)
    {
        add(x);
    }

    //添加事件
    void put(t && x)
    {
        //调用内部接口,进行完美转发
        add(std::forward(x));
    }

    //从队列中取事件,取所有事件
    void take(std::list &list)
    {
        std::unique_lock locker(m_mutex);
        //当不满足任何一个则等待,但是若m_needstop为true是因为任务要终止了所以不阻塞
        m_notempty.wait(locker, [this]{return (m_needstop || notempty()); });
        if (m_needstop)
        {
            return;
        }

        list = std::move(m_queue);
        m_notfull.notify_one();
    }

    //取一个事件
    void take(t &t)
    {
        std::unique_lock 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();
    }

    //终止同步队列
    void stop()
    {
        {
            //锁作用域就在这对大括号内
            std::lock_guard locker(m_mutex);
            //将终止标志设为true
            m_needstop = true;
        }

        //唤醒所有进程一一终止
        m_notfull.notify_all();
        m_notempty.notify_all();
    }

    //队列为空
    bool empty()
    {
        std::lock_guard locker(m_mutex);
        return m_queue.empty();
    }

    //队列为满
    bool full()
    {
        std::lock_guard locker(m_mutex);
        return m_queue.size() == m_maxsize;
    }

    //队列大小
    size_t size()
    {
        std::lock_guard locker(m_mutex);
        return m_queue.size();
    }

    //队列大小
    int count()
    {
        return m_queue.size();
    }

private:
    //队列不为满
    bool notfull() const
    {
        bool full = (m_queue.size() >= m_maxsize);
        if (full)
        {
            cout << "the queue is full, need wait..." << endl;
        }

        return !full;
    }

    //队列不为空
    bool notempty() const
    {
        bool empty = m_queue.empty();
        if (empty)
        {
            cout << "the queue is empty, need wait..., 异步层的线程id: " << this_thread::get_id() << endl;
        }

        return !empty;
    }

    //向队列中添加事件,若不为满且终止标志为false则添加事件
    template 
    void add(f && x)
    {
        std::unique_lock locker(m_mutex);
        //当不满足任何一个则等待,但是若m_needstop为true是因为任务要终止了所以不阻塞
        m_notfull.wait(locker, [this]{return m_needstop || notfull(); });
        if (m_needstop)
        {
            return;
        }

        m_queue.push_back(std::forward(x));
        m_notempty.notify_one();
    }

private:
    //缓冲区
    std::list m_queue;
    //互斥量
    std::mutex m_mutex;
    //队列不为空的条件变量
    std::condition_variable m_notempty;
    //队列不为满的条件变量
    std::condition_variable m_notfull;
    //任务队列最大长度
    int m_maxsize;
    //终止的标识,当为true时代表同步队列要终止
    bool m_needstop;
};



/**************************线程池********************************/

//传递给同步队列的最大个数
const int maxtaskcount = 100;
class threadpool
{
public:
    using task = std::function;
    //构造函数,默认参数hardware_concurrency()获取cpu核心数量
    threadpool(int numthreads = std::thread::hardware_concurrency()):m_queue(maxtaskcount)
    {
        cout << "numthreads: " <<　numthreads　<< endl;
        start(numthreads);
    }

    ~threadpool()
    {
        stop();
    }

    //保证多线程环境下只调用一次stopthreadgroup函数
    void stop()
    {
        std::call_once(m_flag, [this]{ stopthreadgroup(); });
    }

    //添加任务,右值完美转发
    void addtask(task && task)
    {
        m_queue.put(std::forward (task));
    }

    //添加任务
    void addtask(const task && task)
    {
        m_queue.put(task);
    }

private:
    //建立numthreads个数的线程组
    void start(int numthreads)
    {
        m_running  = true;

        for (int i = 0; i < numthreads; i++)
        {
            //多个线程依次的处理
            m_threadgroup.push_back(std::make_shared(&threadpool::runinthread, this));
        }
    }

    //取出任务队列中的全部,依次执行
    void runinthread()
    {
        while (m_running)
        {
            std::list list;
            m_queue.take(list);

            for (auto & task : list)
            {
                if (!m_running)
                {
                    return ;
                }

                //执行任务
                task();
            }
        }
    }

    //终止所有任务的执行
    void stopthreadgroup()
    {       
        //终止同步队列
        m_queue.stop();
        m_running = false;

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

        m_threadgroup.clear();
    }

private: 
    //处理任务的线程组
    std::list> m_threadgroup;
    //同步队列
    syncqueue m_queue;
    //运行的标志,flase代表终止
    atomic_bool m_running;
    //保证在函数在多线程环境中只被调用一次
    std::once_flag m_flag;
};

int main()
{
    threadpool pool;

    //pool.start(2);
    std::thread thd1([&pool]
    {
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            auto thdid = this_thread::get_id();
            pool.addtask([thdid]
            {
                cout << "1.thread id: " << thdid << endl;
            });
        }
    });
    std::thread thd2([&pool]
    {
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            auto thdid = this_thread::get_id();
            pool.addtask([thdid]
            {
                cout << "2.thread id: " << thdid << endl;
            });
        }
    });

    this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    getchar();
    pool.stop();
    thd1.join();
    thd2.join();
}

对象池

对象池对于创建开销较大的对象来说很有意义,为了避免重复创建开销较大的对象,可以通过对象池来优化.

对象池的思路比较简单,实现创建好一批对象,放到一个集合中,每当程序需要新的对象时,就从对象池中获取,程序用完该对象后都会把该对象归还给对象池.这样会避免重复创建对象,提高程序性能.

#include 
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#include 
#include

using namespace std;

//要成为不可复制的类,典型的方法是将类的复制构造函数和赋值运算符设置为private或protected
//为了使objectpool为不可复制的类,我们定义了类noncopyable,只需继承起则可为不可复制的类
class noncopyable
{
protected:
    noncopyable() = default;
    ~noncopyable() = default;
    noncopyable(const noncopyable&) = delete;
    noncopyable& operator =(const noncopyable &) = delete;
};

//对象最大个数
const int maxobjectnum = 10;

template 
class objectpool : noncopyable
{
    template 
    using constructor = function (args...)>;
private:
    //定义multimap类型的私有成员通过constructor类型获得字符串,则通过字符串类型一对多的对应特定的对象.
    multimap> m_object_map;

public:
    //初始化创建对象
    template 
    void init(size_t num, args ...args)
    {
        if (num <= 0 || num > maxobjectnum)
        {
            throw std::logic_error("object num out of range");
        }

        //init时的模板类型不同所得到的constructname字符串不同
        //所以相同的初始化类型对应m_object_map中的first相同,不同类型的则不同
        auto constructname = typeid(constructor).name();
        //cout << "init: " << constructname << endl;
        for (size_t i = 0; i < num; i++)
        {
            //删除器中不直接删除对象,而是回收到对象池中,以供下次使用
            m_object_map.emplace(constructname, 
                shared_ptr(new t(std::forward(args)...), [this, constructname](t *p)
            {
                cout << "dis: " << constructname << endl;
                m_object_map.emplace(std::move(constructname),shared_ptr(p));
            }));
        }
    }

    //从对象池获取一个对象
    template 
    std::shared_ptr get()
    {
        string constructname = typeid(constructor).name();
        cout << constructname << endl;

        //通过get的模板类型得到对应的字符串,通过该字符串找到所有该字符串的对应
        auto range = m_object_map.equal_range(constructname);
        //从该类型对应的对象中获取其中一个
        for (auto it = range.first; it != range.second; it++)
        {
            auto ptr = it -> second;
            m_object_map.erase(it);
            return ptr;
        } 

        return nullptr;
    }
};