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25.单例模式实现线程池

news 来源：原创 2025/8/13 21:55:26

一、线程池的概念

1.1 线程池的介绍

线程池是一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用，还能防止过分调度。可用线程数量应该取决于可用的并发处理器、处理器内核、内存、网络sockets等的数量。

1.2 线程池的应用场景

• 当需要大量的线程来完成任务，且完成任务的时间比较短。比如WEB服务器完成网页请求这样的任务，使用线程池技术是非常合适的。因为单个任务小，而任务数量巨大，你可以想象一个热门网站的点击次数。但对于长时间的任务，比如⼀个Telnet连接请求，线程池的优点就不明显了。因为Telnet会话时间比线程的创建时间大多了。
• 对性能要求苛刻的应用。比如要求服务器迅速响应客户请求。
• 接受突发性的大量请求，但不至于使服务器因此产生大量线程的应用。突发性大量客户请求，在没有线程池情况下，将产生大量线程，虽然理论上大部分操作系统线程数码最大值不是问题，短时间内产生大量线程可能使内存到达极限，出现错误。

1.3 线程池的种类

• 创建固定数量线程池，循环从任务队列中获取任务对象，获取到任务对象后，执行任务对象中的任务接口。
• 浮动线程池，其他同上。

此处，我们选择固定线程个数的线程池。
在这里插入图片描述

二、线程池的简单实现

//ThreadPool.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <memory>
#include <functional>
#include <unistd.h>
#include "log.hpp"    // 引入日志
#include "thread.hpp" // 引入线程
#include "mutex.hpp"  // 引入锁
#include "cond.hpp"   // 引入条件变量namespace ThreadPoolModual
{using namespace ThreadModual;using namespace CondModul;using namespace MutexModel;using namespace LogMudual;const static int gdefaultthreadnum = 10;template <typename T>class ThreadPool{private:// 类的成员方法，也可以成为另一个类的回调方法，方便我们继续类级别的互相调用！void HandlerTask(){LOG(LogLevel::INFO) << "entering HandlerTask modual ...";while (true){LockGuard lock(_mutex);T t;{// 1. 保证队列安全// 2. 队列中不一定有数据while (_task_queue.empty() && _isrunning){_waitnum++;_cond.Wait(_mutex);_waitnum--;}// 2.1 如果线程池已经退出了 && 任务队列是空的if (_task_queue.empty() && !_isrunning)break;// 2.2 如果线程池不退出 && 任务队列不是空的// 2.3 如果线程池已经退出 && 任务队列不是空的 --- 处理完所有的任务，然后退出// 3. ⼀定有任务, 处理任务t = _task_queue.front();_task_queue.pop();}// 4. 处理任务，这个任务属于线程独占的任务t();}}public:ThreadPool(int threadnum = gdefaultthreadnum) : _threadnum(threadnum),_waitnum(0),_isrunning(false){// 创建线程池for (int num = 0; num < _threadnum; num++){_threads.emplace_back(std::bind(&ThreadPool::HandlerTask, this));LOG(LogLevel::INFO) << "init thread " << _threads.back().Name() << " done";}}void Start(){if (_isrunning)return;_isrunning = true;for (auto &thread : _threads){thread.Start();LOG(LogLevel::INFO) << "start thread " << thread.Name() << "done";}}void Stop(){LockGuard lock(_mutex);if (_isrunning){_isrunning = false;if (_waitnum > 0)_cond.NotifyAll();}LOG(LogLevel::DEBUG) << "threadpool is exitting...";}void Wait(){for (auto &thread : _threads){thread.Join();LOG(LogLevel::INFO) << "Recycling " << thread.Name() << " done";}}void Enqueue(const T &t){LockGuard lock(_mutex);_task_queue.push(t);if (_waitnum > 0)_cond.Notify();}~ThreadPool(){}private:int _threadnum;std::vector<Thread> _threads;std::queue<T> _task_queue;Mutex _mutex;Cond _cond;int _waitnum;bool _isrunning;};
}

//ThreadPool.cc
#include "ThreadPool.hpp"using namespace ThreadPoolModual;
using task_t = function<void()>;void func()
{sleep(1);
}int main()
{ENABLE_CONSOLE_LOG_STRATEGY();std::unique_ptr<ThreadPool<task_t>> tp = std::make_unique<ThreadPool<task_t>>();tp->Start();int cnt = 10;char c;while (cnt){tp->Enqueue(func);cnt--;sleep(1);}tp->Stop();tp->Wait();return 0;
}

三、单例模式

对于某些类（如上面所写的线程池）只应该具有一个对象(实例)就称之为单例。

单例模式的实现方式有两种：懒汉方式实现和饿汉方式实现。

3.1 饿汉方式实现单例

吃完饭，立刻洗碗, 这种就是饿汉方式。因为下一顿吃的时候可以拿着碗就能吃饭。即在程序运行起来之后就加载到内存中。

template <typename T>
class Singleton 
{static T data;
public:static T* GetInstance() {return &data;}
};

3.2 懒汉方式实现单例

吃完饭，先把碗放下，然后下一顿饭用到这个碗了再洗就是懒汉方式。即延迟实现。

template <typename T>
class Singleton 
{static T* inst;
public:static T* GetInstance(){if (inst == NULL) inst = new T();return inst;}
};

但是这存在着线程不安全的问题。第一次调用GetInstance的时候，如果两个线程同时调用，可能会创建出两份T对象的实例，但是后续再次调用就没有问题了。

// 懒汉模式, 线程安全 
template <typename T>
class Singleton 
{volatile static T* inst; // 需要设置 volatile 关键字, 否则可能被编译器优化. static std::mutex lock;
public:static T* GetInstance() {if (inst == NULL) // 双重判定空指针, 降低锁冲突的概率, 提高性能. { lock.lock(); // 使⽤互斥锁来保证多线程情况下也只调⽤⼀次 new . if (inst == NULL) inst = new T();lock.unlock();}return inst;}
};

四、线程池的单例模式

//ThreadPool.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <memory>
#include <functional>
#include <unistd.h>
#include "log.hpp"    // 引入日志
#include "thread.hpp" // 引入线程
#include "mutex.hpp"  // 引入锁
#include "cond.hpp"   // 引入条件变量namespace ThreadPoolModual
{using namespace ThreadModual;using namespace CondModul;using namespace MutexModel;using namespace LogMudual;const static int gdefaultthreadnum = 10;template <typename T>class ThreadPool{private:// 类的成员方法，也可以成为另一个类的回调方法，方便我们继续类级别的互相调用！void HandlerTask(){LOG(LogLevel::INFO) << "entering HandlerTask modual ...";while (true){LockGuard lock(_mutex);T t;{// 1. 保证队列安全// 2. 队列中不一定有数据while (_task_queue.empty() && _isrunning){_waitnum++;_cond.Wait(_mutex);_waitnum--;}// 2.1 如果线程池已经退出了 && 任务队列是空的if (_task_queue.empty() && !_isrunning)break;// 2.2 如果线程池不退出 && 任务队列不是空的// 2.3 如果线程池已经退出 && 任务队列不是空的 --- 处理完所有的任务，然后退出// 3. ⼀定有任务, 处理任务t = _task_queue.front();_task_queue.pop();}// 4. 处理任务，这个任务属于线程独占的任务t();}}//私有实现ThreadPool(int threadnum = gdefaultthreadnum) : _threadnum(threadnum),_waitnum(0),_isrunning(false){// 创建线程池for (int num = 0; num < _threadnum; num++){_threads.emplace_back(std::bind(&ThreadPool::HandlerTask, this));LOG(LogLevel::INFO) << "init thread " << _threads.back().Name() << " done";}}// 复制拷贝禁用赋值ThreadPool<T> &operator=(const ThreadPool<T> &) = delete;ThreadPool(const ThreadPool<T> &) = delete;public:static ThreadPool<T> *GetInstance(){if (_instance == nullptr){LockGuard lock(_lock);if (_instance == nullptr){LOG(LogLevel::INFO) << "单例首次启动";_instance = new ThreadPool<T>();}}return _instance;}void Start(){if (_isrunning)return;_isrunning = true;for (auto &thread : _threads){thread.Start();LOG(LogLevel::INFO) << "start thread " << thread.Name() << "done";}}void Stop(){LockGuard lock(_mutex);if (_isrunning){_isrunning = false;if (_waitnum > 0)_cond.NotifyAll();}LOG(LogLevel::DEBUG) << "threadpool is exitting...";}void Wait(){for (auto &thread : _threads){thread.Join();LOG(LogLevel::INFO) << "Recycling " << thread.Name() << " done";}}void Enqueue(const T &t){LockGuard lock(_mutex);_task_queue.push(t);if (_waitnum > 0)_cond.Notify();}~ThreadPool(){}private:int _threadnum;std::vector<Thread> _threads;std::queue<T> _task_queue;Mutex _mutex;Cond _cond;int _waitnum;bool _isrunning;// 添加单例模式static ThreadPool<T> *_instance;static Mutex _lock;};template <typename T>ThreadPool<T> *ThreadPool<T>::_instance = nullptr;template <typename T>Mutex ThreadPool<T>::_lock;
}

//ThreadPool.cc
#include "ThreadPool.hpp"using namespace ThreadPoolModual;
using task_t = function<void()>;
void func()
{sleep(1);
}
int main()
{ENABLE_CONSOLE_LOG_STRATEGY();int cnt = 10;while (cnt){ThreadPool<task_t>::GetInstance()->Enqueue(func);cnt--;}ThreadPool<task_t>::GetInstance()->Stop();ThreadPool<task_t>::GetInstance()->Wait();return 0;
}