c++怎么编写一个线程池_c++多线程任务调度与并发执行框架实现

线程池通过复用线程和任务队列提升并发效率，核心组件包括任务队列、线程集合、同步机制及支持返回值的future/promise设计，适用于短小频繁任务，建议合理设置线程数并优化队列性能。

线程池的基本结构设计

在C++中实现一个线程池，核心是管理一组可复用的工作线程，并通过任务队列来调度执行。线程池避免了频繁创建和销毁线程的开销，提升并发效率。

基本组件包括：

• 任务队列：存放待处理的任务，通常使用std::queue配合互斥锁保护
• 线程集合：一组长期运行的线程，循环从任务队列中取任务执行
• 同步机制：使用std::mutex和std::condition_variable实现线程安全与唤醒等待
• 任务类型：使用std::function封装任意可调用对象

任务提交与线程工作逻辑

主线程通过接口提交任务，工作线程阻塞等待新任务。当有任务加入时，通知至少一个线程进行处理。

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关键代码结构如下：

class ThreadPool {
private:
    std::vector workers;
    std::queue> tasks;
    std::mutex task_mutex;
    std::condition_variable cv;
    bool stop = false;

public:
    explicit ThreadPool(size_t num_threads) {
        for (size_t i = 0; i < num_threads; ++i) {
            workers.emplace_back([this] {
                while (true) {
                    std::function task;
                    {
                        std::unique_lock lock(task_mutex);
                        cv.wait(lock, [this] { return stop || !tasks.empty(); });
                        if (stop && tasks.empty()) return;
                        task = std::move(tasks.front());
                        tasks.pop();
                    }
                    task(); // 执行任务
                }
            });
        }
    }

    template
    void enqueue(F&& f) {
        {
            std::lock_guard lock(task_mutex);
            tasks.emplace(std::forward(f));
        }
        cv.notify_one();
    }

    ~ThreadPool() {
        {
            std::unique_lock lock(task_mutex);
            stop = true;
        }
        cv.notify_all();
        for (auto& w : workers)
            w.join();
    }
};

支持返回值的任务（future/promise）

为了让提交的任务能获取结果，可以结合std::packaged_task和std::future。

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修改enqueue模板函数：

template
auto submit(F&& f) -> std::future {
    using ReturnType = decltype(f());
    auto task = std::make_shared>(std::forward(f));
    std::future result = task->get_future();
    {
        std::lock_guard lock(task_mutex);
        tasks.emplace([task]() { (*task)(); });
    }
    cv.notify_one();
    return result;
}

这样就可以异步获取执行结果：

auto future1 = pool.submit([]() { return 42; });
auto future2 = pool.submit([]() { std::this_thread::sleep_for(1s); return "done"; });

int val = future1.get();        // 阻塞直到完成
std::string msg = future2.get(); // 获取字符串结果

实际使用场景与优化建议

线程池适用于短小、频繁的异步任务，比如网络请求处理、日志写入、图像处理等。

实用建议：

• 线程数量一般设为std::thread::hardware_concurrency()，避免过度竞争CPU资源
• 任务队列可改为无锁队列（如boost::lockfree::queue）提升性能
• 增加任务优先级支持，使用std::priority_queue管理任务
• 限制最大任务数，防止内存溢出
• 提供动态扩容能力，在负载高时临时增加线程（类似std::thread_pool提案中的设计）

基本上就这些。一个简洁高效的线程池不需要复杂设计，关键是线程安全、资源释放和易用性之间的平衡。