随着多核心处理器的普及，多线程编程也越来越重要。为了能够更好的利用 CPU 资源，减少线程切换的开销，线程池成为了一种高效的多线程编程方式。本文将介绍如何使用 C++ 实现一个手写线程池。

线程池的基本原理

线程池是一种将多个任务放入队列中，由一组线程来共享执行这些任务的方式。线程池的主要作用是：降低线程的创建、销毁以及上下文切换的开销，提高线程的利用率。线程池包含一个任务队列和一组工作线程。它的基本原理是：当一个任务到来时，线程池首先会在任务队列中添加这个任务。如果线程池中有空闲的工作线程，则会分配一个工作线程来执行这个任务。如果没有空闲线程，则等待任务队列中有任务后再分配工作线程。

线程池的实现

接下来我们开始实现线程池。首先我们需要定义一个线程池类。线程池类中包含一个任务队列和一组工作线程。任务队列中使用 STL 中的队列来实现。工作线程使用 C++ 中的 std::thread 来实现。代码如下：

#include <thread>
#include <vector>
#include <queue>
#include <functional>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
class ThreadPool {
public:
  ThreadPool(int num_threads);
  ~ThreadPool();
  void AddTask(std::function<void()> task);
private:
  void Worker();
  std::vector<std::thread> workers_;
  std::queue<std::function<void()>> tasks_;
  std::mutex queue_mutex_;
  std::condition_variable condition_;
  bool stop_;
};
ThreadPool::ThreadPool(int num_threads) : stop_(false) {
  for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
    workers_.emplace_back([this] { Worker(); });
  }
}
ThreadPool::~ThreadPool() {
  {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex_);
    stop_ = true;
  }
  condition_.notify_all();
  for (std::thread &worker : workers_) {
    worker.join();
  }
}
void ThreadPool::AddTask(std::function<void()> task) {
  {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex_);
    tasks_.emplace(task);
  }
  condition_.notify_one();
}
void ThreadPool::Worker() {
  while (!stop_) {
    std::function<void()> task;
    {
      std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex_);
      condition_.wait(lock, [this]{ return !tasks_.empty() || stop_; });
      if (stop_ && tasks_.empty())
        return;
      
      task = tasks_.front();
      tasks_.pop();
    }
    task();
  }
}

上面代码中，我们使用了 mutex 和 condition_variable 来实现线程间的同步。Worker() 函数是工作线程的执行函数，该函数会不断地从任务队列中取出任务并执行。

ThreadPool 类包含了一个 AddTask() 函数，用于将任务添加到任务队列中。在 AddTask() 中，我们首先使用 queue_mutex_ 互斥锁来保证队列的线程安全。然后将任务添加到队列中，接着使用 condition_variable 来通知一个空闲的线程来执行任务。

线程池的使用

使用线程池十分简单。只需要实例化一个 ThreadPool 对象，然后调用其 AddTask() 函数分配任务即可：

#include "thread_pool.h"
int main() {
  ThreadPool thread_pool(4);
  for (int i = 0; i < 100; ++i) {
    thread_pool.AddTask([]
      // 处理任务的逻辑
    );
  }
  return 0;
}

在上面的代码中，我们创建了一个含有 4 个工作线程的线程池，并将 100 个任务添加到任务队列中。由于线程池中有 4 个工作线程，因此最多只会有 4 个任务同时被执行。

总结

线程池是一种高效的多线程编程方式，能够显著提高CPU的利用率。本文介绍了如何使用C++来实现一个手写的线程池。线程池的实现涉及到了线程的同步和互斥，需要使用 mutex 和 condition_variable等同步手段来保证安全性。借助线程池，我们可以更好地利用 CPU 资源，提高程序的性能和效率。

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