C++ 任务队列：实现与使用

C++ 任务队列：从理论到实践

任务队列是 C++ 多线程编程中的关键模式之一。它能够高效地在线程之间分配工作，避免数据竞争和资源过度消耗。本文将重点介绍如何在 C++ 中创建和使用任务队列，并强调性能与安全性。

为什么需要任务队列？

在现代应用程序中，经常需要并行执行大量小任务。为每个任务直接创建线程会产生额外开销：创建线程需要时间和内存。任务队列通过线程池解决了这个问题：

• 线程复用 — 线程在完成任务后不会销毁，而是返回池中。
• 负载均衡 — 任务被均匀分配。
• 资源管理 — 限制同时运行的线程数量。

C++ 任务队列的基本实现

我们来看一个简单但线程安全的任务队列，使用 std::queue 和互斥锁。这里使用 C++11 及以上标准库。

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

class TaskQueue {public:    using Task = std::function<void()>;

    explicit TaskQueue(size_t numThreads) : stop(false) {        for (size_t i = 0; i < numThreads; ++i) {            workers.emplace_back([this] { workerLoop(); });        }    }

    ~TaskQueue() {        {            std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);            stop = true;        }        condition.notify_all();        for (auto& worker : workers) {            if (worker.joinable()) {                worker.join();            }        }    }

    void enqueue(Task task) {        {            std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);            tasks.push(std::move(task));        }        condition.notify_one();    }

private:    void workerLoop() {        while (true) {            Task task;            {                std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);                condition.wait(lock, [this] { return stop || !tasks.empty(); });                if (stop && tasks.empty()) {                    return;                }                task = std::move(tasks.front());                tasks.pop();            }            task(); // 执行任务        }    }

    std::queue<Task> tasks;    std::mutex mutex;    std::condition_variable condition;    bool stop;    std::vector<std::thread> workers;};

使用示例

现在演示如何使用我们的 TaskQueue 类来并行执行简单计算：

#include <iostream>

int main() {    TaskQueue tq(4); // 4 个线程的线程池

    for (int i = 0; i < 10; ++i) {        tq.enqueue([i] {            std::cout << "任务 " << i << " 由线程 "                      << std::this_thread::get_id() << " 执行" << std::endl;        });    }

    // tq 的析构函数会等待所有任务完成    return 0;}

高级功能：优先级队列

有时需要按重要性顺序处理任务。为此，可以使用 std::priority_queue 替代普通队列。我们添加优先级支持：

#include <queue>#include <functional>

class PriorityTaskQueue {public:    using Task = std::function<void()>;

    struct PrioritizedTask {        int priority;        Task t