【线程池项目（二）】线程池FIXED模式的实现-编程知识

在上一篇【线程池项目（一）】项目介绍和代码展示中，我们展示了线程池的两个版本实现，它们的代码在具体的实现细节上是优化过了的。下文提供的代码并非完整，也有很多地方尚需改善，但这些差异对理解整个项目而言，影响并不会太大。因此，在接下来的讨论中，我们将重点放在对项目代码的理解上。

如果需要与本篇博客完全匹配的实现代码，也可以在我的gitee 上下载对应的源码

项目经历——基于C++新特性以及模板编程实现的线程池

- 一、设计思路
- 二、关键技术点
- - （1）线程池类ThreadPool
  - （2）线程类Thread
  - （3）信号量类Semaphore
  - （4）上帝类Any
  - （5）任务抽象基类Task
  - （6）提交任务的返回值Result
- 三、分析图例，理解函数执行过程
- 四、总结

一、设计思路

使用C++ OOP面向对象编程的思想，设计了6个类：

ThreadPool： 负责线程池的创建ThreadPool();、开启start()、设置模式setMode（这里不需要，默认FIXED）、提交任务submitTask()、线程函数threadFunc()（至于为什么要把线程函数放入ThreadPool里，而不是在Thread里，后面会解释）
Thread： 负责线程的创建Thread()，定义了函数对象类型ThreadFunc
Task： 对外（即用户）提供一个抽象类接口，用户可以重写run()函数来提供相应任务
Any： 模仿C++17中的any，可以接收任意的类型
Result： 作为Any的依赖，接收task任务在用户提交完成后的返回值类型
Semaphore： 线程的通信机制，模仿C++20的Semaphore，用于通知用户提交的任务是否已经被相应的线程执行完毕

二、关键技术点

（1）线程池类ThreadPool

🤠开启线程池start()：
当创建线程对象时，我们使用 std::bind()绑定器将线程池的成员方法 threadFunc与当前线程池的 this 指针绑定到一起，作为创建线程对象的一个参数，传递给 std::thread 线程对象。这样，在 Thread 类的成员方法中，就可以直接通过调用 ThreadPool 的线程函数 threadFunc 来访问线程池中的成员变量和方法。通过这种绑定方式，也可以解决变参的问题，因为所有相关的参数都已经被绑定到这个线程函数上。因此，我们可以使用别名 using ThreadFunc = std::function<void()> 来定义线程函数的类型。

🥳提交任务submitTask()：
使用互斥锁unique_lock()来维护线程安全，结合条件变量notFull的使用，判断1s内，任务队列中任务的数目是否已达上限，若已达，则阻塞返回提交失败，反之入队，通知其余线程任务队列中有任务能够执行了，返回提交成功任务的返回值Result(sp, true（default）)，关于Result见下文

🥸线程函数threadFunc()：
由于线程函数需要获取任务队列里的任务，在获取任务的同时需要线程池中互斥锁和条件变量的管理，直接定义在Thread里不好进行相关操作，定义在全局中也不好访问私有的成员变量，所以把它放在ThreadPool里实现，但是我们的目的是让线程通过线程函数来执行任务，所以我们定义相应的Thread构造函数把ThreadPool的线程函数threadFunc给到Thread，用Thread类的成员变量func_来存储。代码同上，就不赘述了

（2）线程类Thread

😎 这里没什么可说的，就是一个分离线程detach，延长线程函数的生命周期至主线程结束（即创建线程池的线程）

（3）信号量类Semaphore

🤓 模拟C++20的semaphore，用wait、post分别申请和释放信号量资源来控制用户提交的任务是否被执行完毕

（4）上帝类Any

🧐 考虑到用户提交任务时，可能不仅仅需要把任务处理完成，还可能需要得到任务处理完成后的返回值，所以我们设计了一个Any类作为接收任意类型的返回值，即让一个类型可以指向其他的任意类型。然我们知道，基类指针可以执行派生类对象，根据data（存储用户返回的数据，用模板实现）构造出一个派生类对象，这时候我们就可以使用Any里的基类指针指向它，并通过向下转型取出data。这里需要理解一下Any的构造函数，编译器在用户提交的任务执行完返回时是如何处理的

（5）任务抽象基类Task

😯 由于Task和Result是有耦合的，Result里用智能指针shared_ptr定义的Task类型的成员变量task_，为了避免发生智能指针的交叉引用问题，Task里使用了裸指针定义Result类型的result_，指向用户提交任务后返回的Result，其生命周期 > task，通过result_在Task里面调用Result里的成员方法，来控制Any返回值的获取，在exec()中发生多态调用（run()在基类中为纯虚函数，供用户重写）

（6）提交任务的返回值Result

😳 构造函数Result(…)：
判断提交任务是否成功，并把当前对象this给到成员变量task_里，供Task类中的相关方法使用，如上

🥹 获取返回值Any ，setVal()、get()：
通过信号量的wait、post操作和资源转移std::move()来进行