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韌體工程師的不只 0x10 個問題系列 第 30 篇

Day 30－執行緒池

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在需要很多執行緒幫忙處理工作時，如果每次都開一個新執行緒、用完再銷毀顯得非常浪費，不如直接準備好一批執行緒，看誰有空就請誰做事，這批「先被準備好、待命中的執行緒」就稱為「執行緒池（thread pool）」。

執行緒池範例

以下 C++ 程式碼展示了執行緒池的運作方式：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <functional>
#include <chrono>

class ThreadPool {
private:
    std::queue<std::function<void()>> tasks;
    std::vector<std::thread> workers;

    std::mutex mtx;
    std::mutex cout_mtx;
    std::condition_variable cv;
    bool done = false;

    void worker(int id) {
        while (true) {
            std::function<void()> task;

            {
                std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
                cv.wait(lock, [this] { return !tasks.empty() || done; });

                if (done && tasks.empty()) {
                    return;
                }

                task = tasks.front();
                tasks.pop();
            }

            {
                std::lock_guard<std::mutex> lock(cout_mtx);
                std::cout << "Worker " << id << " starts a task\n";
            }

            task();
        }
    }

public:
    ThreadPool(int numWorkers) {
        for (int i = 0; i < numWorkers; i++) {
            workers.emplace_back(&ThreadPool::worker, this, i);
        }
    }

    void addTask(std::function<void()> task) {
        {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            tasks.push(task);
        }
        cv.notify_one();
    }

    void stop() {
        {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            done = true;
        }
        cv.notify_all();
    }

    void wait() {
        for (auto& t : workers) {
            t.join();
        }
    }

    std::mutex& getCoutMutex() {
        return cout_mtx;
    }
    
    ~ThreadPool() {
        stop();
        wait();
    }
};

int main() {
    ThreadPool pool(3);

    for (int i = 1; i <= 6; i++) {
        pool.addTask([i, &pool] {
            {
                std::lock_guard<std::mutex> lock(pool.getCoutMutex());
                std::cout << "  Task " << i << " is running\n";
            }

            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

            {
                std::lock_guard<std::mutex> lock(pool.getCoutMutex());
                std::cout << "  Task " << i << " is done\n";
            }
        });
    }

    return 0;
}

程式碼說明

以下透過執行順序，逐步說明上述程式碼內容。

第一步：建立執行緒池物件

透過 ThreadPool 類別建立實例，名為 pool、傳入參數 3 代表預計要在執行緒池建立三個執行緒。

// main() 函數中
ThreadPool pool(3);

第二步：建立工人、放進執行緒池陣列

建立 pool 實例會觸發 ThreadPool 類別中位於 public 的建構子 ThreadPool：

// ThreadPool 類別 public 區建構子
ThreadPool(int numWorkers) {  // 傳入的參數為 3
    for (int i = 0; i < numWorkers; i++) {
    // 下方將詳細說明下面這行
    workers.emplace_back(&ThreadPool::worker, this, i);
    }
}

workers 來自定義類別時寫在 private 區塊的工人陣列，裡面每個元素都要裝執行緒（每個執行緒就是工人）：

// ThreadPool 類別 private 區
std::vector<std::thread> workers;

這個陣列要用 emplace_back() 加入一個一個的工人元素，之所以用 emplace_back() 而不用 push_back()，是為了讓每個元素都直接在 workers 陣列裡面就地建造，而非建立臨時物件再複製或搬移到 workers 陣列中。

後面的 &ThreadPool::worker, this 表示要執行的是 ThreadPool 本身物件中的 worker() 函數，而 i 就是迴圈要跑的 0、1、2，因此整體：

// ThreadPool 類別 public 區建構子
workers.emplace_back(&ThreadPool::worker, this, i);

可以想成：

  1. 在要裝工人的 workers 陣列中，
  2. 逐一開新執行緒，
  3. 每個執行緒都執行 this -> worker(i)

因為 numWorkers 參數為 3，所以：

  • i = 0：開一條執行緒跑 this -> worker(0)
  • i = 1：開一條執行緒跑 this -> worker(1)
  • i = 2：開一條執行緒跑 this -> worker(2)

而這個 worker() 函數做了很多事。

首先是三個 id 分別為 0、1、2 的執行緒都在無窮迴圈中不斷尋找工作，如果有拿到工作，就放到 task 變數中：

// ThreadPool 類別 private 區
void worker(int id) {
    while (true) {

每一項工作都會是沒有回傳型別、也不會有參數的函數 function<void()>：

// worker() 函數中
std::function<void()> task;

每個執行緒都會試著搶互斥鎖：

// worker() 函數中
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);

但此時還沒有工作要做、tasks 為空，且 done 為 false，因此三個執行緒都會釋放鎖、進入沉睡狀態，等待條件變數 cv 的訊號：

// worker() 函數中
cv.wait(lock, [this] { return !tasks.empty() || done; });

截至目前為止，三個執行緒（工人）都已經準備好要工作，就等實際工作下來。

第三步：建立工作

在 private 區有先建立一個用來裝工作的工作佇列 tasks：

// ThreadPool 類別 private 區
std::queue<std::function<void()>> tasks;

在 public 區也有一個將 tasks 工作佇列增添工作的函數 addTask()：

// ThreadPool 類別 public 區
void addTask(std::function<void()> task) {  // 接 task 函數為參數
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);  // 把工作佇列 tasks 上鎖保護起來
        tasks.push(task);  // 把 task 加進 tasks 工作佇列
    }
    cv.notify_one();  // 喚醒一個沉睡中的執行緒
}

在 main() 函數中透過 for 迴圈生產六個任務：

// main() 函數中
for (int i = 1; i <= 6; i++)

而針對每個任務，都執行 pool 物件實例中的 addTask() 方法：

// main() 函數中
pool.addTask(
    // ...
);

剛剛已經看到 addTask() 函數接的參數是 std::function<void()> task，而這個 task 函數長這樣：

[i, &pool] {  // i 表示迴圈跑到幾（建立第幾個工作）、&pool 表示可以取用 pool 實例物件中定義的 getCoutMutex() 方法
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(pool.getCoutMutex()); // 先為 cout 上鎖
        std::cout << "  Task " << i << " is running\n";  // 模擬開始工作
    }

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));  // 模擬工作了一秒

    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(pool.getCoutMutex());  // 為 cout 上鎖
        std::cout << "  Task " << i << " is done\n";  // 模擬完成工作
    }
}  // 離開大括號時自動釋放鎖

addTask() 函數會把第 i 個 task 函數塞到 tasks 工作佇列中：

// addTask() 函數中
tasks.push(task);

如果 tasks 被塞進第 1 個 task，那 tasks 佇列就會變成：

[ [1, &pool]{std:: ...  is done\n";} ]

隨著迴圈由 1 跑到 6，tasks 這個工作佇列會逐漸變成：

[ [1, &pool]{std:: ...  is done\n";}, [2, &pool]{std:: ...  is done\n";}, ... , [6, &pool]{std:: ...  is done\n";}]
   ↑ 第 0 個元素，i 為 1                ↑ 第 1 個元素，i 為 2                       ↑ 第 5 個元素，i 為 6

addTask() 函數離開大括號為工作佇列 tasks 解鎖後，還會去喚醒一個沉睡中的執行緒：

// addTask() 函數中
cv.notify_one();

第四步：執行緒接手工作

其中一個工人（執行緒）被喚醒，去搶 mtx 鎖：

// worker() 函數中
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);

此時 tasks 佇列已經不為空，因此 !tasks.empty() 為 true，不會原地休息而會往下執行：

// worker() 函數中
cv.wait(lock, [this] { return !tasks.empty() || done; }); // 不會卡在這裡休息

因為 tasks.empty() 不為 true，因此跳過這段（不會直接 return）：

// worker() 函數中
if (done && tasks.empty()) {
    return;
}

每個 worker 函數都透過以下程式碼，被喚醒後從最前面的工作開始取：

// worker() 函數中
task = tasks.front();
tasks.pop();

假設原本的工作佇列 tasks 長這樣：

[ [1, &pool]{std:: ...  is done\n";}, [2, &pool]{std:: ...  is done\n";}, ... , [6, &pool]{std:: ...  is done\n";}]

那經過上兩行程式碼後：

  • task 為 [1, &pool]{std:: ... is done\n";}。
  • tasks 變成：
[ [2, &pool]{std:: ...  is done\n";}, [3, &pool]{std:: ...  is done\n";}, ... , [6, &pool]{std:: ...  is done\n";}]

接著顯示被喚醒的工人要開始工作了：

// worker() 函數中
{
    std::lock_guard<std::mutex> lock(cout_mtx);
    std::cout << "Worker " << id << " starts a task\n";
}

透過呼叫 task() 函數，真正執行工作內容（也就是寫在 main() 函數中 lambda 函數那些）：

// worker() 函數中
task();

假設是第 1 個工作被執行，那就是跑這個：

// main() 函數中
[1, &pool] {
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(pool.getCoutMutex()); // 先為 cout 上鎖
        std::cout << "  Task " << i << " is running\n";  // 這裡的 i 以 1 代替
    }

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(pool.getCoutMutex());  // 為 cout 上鎖
        std::cout << "  Task " << i << " is done\n";  // 這裡的 i 以 1 代替
    }
}

隨著 main() 函數逐漸把六個工作都塞進工作佇列 tasks、addTask() 函數也不斷喚醒執行緒，就會由三個執行緒分配六項工作。

第五步：停工

當 main() 函數跑完迴圈（已經把六項工作加進 tasks 工作佇列，但工作可能還沒做完），進到：

// main() 函數中
return 0;

看似要結束了，但在 main() 函數中有物件實例 pool，這些要先被銷毀。

被銷毀時，呼叫解構子：

// ThreadPool 類別 public 區
~ThreadPool() {
    stop();
    wait();
}

首先執行 stop() 函數，給 done 上鎖時去把 done 旗標改為 true，並通知工人沒有新工作會進來，把 tasks 裡面的工作做完就好：

// ThreadPool 類別 public 區
void stop() {
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);  // 給 done 旗標上鎖
        done = true;  // 修改 done 旗標為 true
    }
    cv.notify_all(); // 告訴所有工人不會有新工作進來
}

這時旗標 done 已經被改成 true，因此不會有工人卡在這裡：

// worker() 函數中
cv.wait(lock, [this] { return !tasks.empty() || done; });  // 不會有工人在此休息

工人們依然繼續工作，此時解構子執行到 wait()：

// ThreadPool 類別 public 區
void wait() {
    for (auto& t : workers) {
        t.join();
    }
}

這裡有 join() 可確保主執行緒會等工人把工作做完，才真正銷毀 pool 物件。

等工作都做完、tasks 變成空佇列，那下面就會直接 return，離開 worker() 函數：

// worker() 函數中
if (done && tasks.empty()) {
    return;
}

最後，解構子把 pool 物件都銷毀，同時運行 main() 函數中的 return 0，代表完整結束。

執行結果與解讀

其中一次執行結果與說明如下：

Worker 2 starts a task
  Task 1 is running    <- Worker 2 搶到 Task 1
Worker 1 starts a task
  Task 2 is running    <- Worker 1 搶到 Task 2
Worker 0 starts a task
  Task 3 is running    <- Worker 0 搶到 Task 3
  Task 1 is done       <- Worker 2 把 Task 1 做完
Worker 2 starts a task
  Task 4 is running    <- Worker 2 搶到 Task 4
  Task 2 is done       <- Worker 1 把 Task 2 做完
Worker 1 starts a task
  Task 5 is running    <- Worker 1 搶到 Task 5
  Task 3 is done       <- Worker 0 把 Task 3 做完
Worker 0 starts a task
  Task 6 is running    <- Worker 0 搶到 Task 6
  Task 4 is done       <- Worker 2 把 Task 4 做完
  Task 5 is done       <- Worker 1 把 Task 5 做完
  Task 6 is done       <- Worker 0 把 Task 6 做完

總而言之，工作分配的結果如下：

  • Worker 2：Task 1 -> Task 4
  • Worker 1：Task 2 -> Task 5
  • Worker 0：Task 3 -> Task 6

每次三個工人會搶到的工作不盡相同，因此工作分配未必如上面這樣，但核心概念就是「有六個工作，交給三位工人分配」，這三個工人所在的陣列 pool 就是執行緒池。

參考資料

  1. Thread Pool in C++ (GeeksforGeeks)

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