C++11——多线程

news2024/11/7 22:36:30

目录

一.thread类的简单介绍

二.线程函数参数 

 三.原子性操作库(atomic)

四.lock_guard与unique_lock

1.lock_guard

2.unique_lock

五.条件变量

一.thread类的简单介绍

在C++11之前，涉及到多线程问题，都是和平台相关的，比如windows和linux下各有自己的接
口，这使得代码的可移植性比较差。C++11中最重要的特性就是对线程进行支持了，使得C++在
并行编程时不需要依赖第三方库，而且在原子操作中还引入了原子类的概念。要使用标准库中的
线程，必须包含< thread >头文件。

函数名功能
thread()构造一个线程对象，没有关联任何线程函数，即没有启动任何线程
thread(fn,
args1, args2,
...)		构造一个线程对象，并关联线程函数fn，args1，args2，...为线程函数的参数
get_id()获取线程id
jionable()线程是否还在执行，joinable代表的是一个正在执行中的线程。
jion()该函数调用后会阻塞住线程，当该线程结束后，主线程继续执行
detach()在创建线程对象后马上调用，用于把被创建线程与线程对象分离开，分离的线程变为后台线程，创建的线程的"死活"就与主线程无关

注意：

1. 线程是操作系统中的一个概念，线程对象可以关联一个线程，用来控制线程以及获取线程的
状态。
2. 当创建一个线程对象后，没有提供线程函数，该对象实际没有对应任何线程。

get_id()的返回值类型为id类型，id类型实际为std::thread命名空间下封装的一个类，该类中
包含了一个结构体： 

// vs下查看
typedef struct
{ /* thread identifier for Win32 */
	void* _Hnd; /* Win32 HANDLE */
	unsigned int _Id;
} _Thrd_imp_t;

3.当创建一个线程对象后，并且给线程关联线程函数，该线程就被启动，与主线程一起运行。
线程函数一般情况下可按照以下三种方式提供：

  1. 函数指针
  2. lambda表达式
  3. 函数对象
#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>
using namespace std;

void func1(string str)
{
	cout << str << endl;
}
struct func2
{
	void operator()(string str)
	{
		cout << str << endl;
	}
};

int main()
{
	std::thread t1(func1, "函数指针");
	std::thread t2(func2(), "仿函数");
	std::thread t3([](string str){cout << str << endl; }, "lambda");
	t1.join();
	t2.join();
	t3.join();
	return 0;
}

4. thread类是防拷贝的，不允许拷贝构造以及赋值，但是可以移动构造和移动赋值，即将一个
线程对象关联线程的状态转移给其他线程对象，转移期间不意向线程的执行。
5. 可以通过jionable()函数判断线程是否是有效的，如果是以下任意情况，则线程无效

  1. 采用无参构造函数构造的线程对象
  2. 线程对象的状态已经转移给其他线程对象
  3. 线程已经调用jion或者detach结束

二.线程函数参数 

线程函数的参数是以值拷贝的方式拷贝到线程栈空间中的，因此：即使线程参数为引用类型，在
线程中修改后也不能修改外部实参，因为其实际引用的是线程栈中的拷贝，而不是外部实参。

如果想要通过形参改变外部实参时，必须借助std::ref()函数,或者使用指针：

#include <thread>
void ThreadFunc1(int& x)
{
	x += 10;
}
void ThreadFunc2(int* x)
{
	*x += 10;
}
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 10;
	// 如果想要通过形参改变外部实参时，必须借助std::ref()函数
	thread t2(ThreadFunc1, std::ref(a));
	t2.join();
	cout << a << endl;
	 //地址的拷贝
	thread t3(ThreadFunc2, &b);
	t3.join();
	cout << b << endl;
	return 0;
}

 注意：如果是类成员函数作为线程参数时，必须将this作为线程函数参数。

 三.原子性操作库(atomic)

多线程最主要的问题是共享数据带来的问题(即线程安全)。如果共享数据都是只读的，那么没问
题，因为只读操作不会影响到数据，更不会涉及对数据的修改，所以所有线程都会获得同样的数
据。但是，当一个或多个线程要修改共享数据时，就会产生很多潜在的麻烦。比如：

两个线程分别进行100000次的++操作：

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
unsigned long sum = 0;

void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
		sum++;
}
int main()
{
	cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;
	thread t1(fun, 1000000);
	thread t2(fun, 1000000);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

我们首先想到的解决办法就是加锁，但是加锁有一个缺陷就是：只要一个线程在对sum++时，其他线程就会被阻塞，会影响程序运行的效率，而且锁如果控制不好，还容易造成死锁。

因此C++11中引入了原子操作。所谓原子操作：即不可被中断的一个或一系列操作，C++11引入
的原子操作类型，使得线程间数据的同步变得非常高效，原子操作头文件<atomic>。

例如：

#include <iostream>
#include <thread>
#include<atomic>
using namespace std;
//unsigned long sum = 0;
atomic_int sum = 0;

void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
		sum++;
}
int main()
{
	cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;
	thread t1(fun, 1000000);
	thread t2(fun, 1000000);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

 在C++11中，程序员不需要对原子类型变量进行加锁解锁操作，线程能够对原子类型变量互斥的
访问。

更为普遍的，程序员可以使用atomic类模板，定义出需要的任意原子类型。 

atmoic<T> t;   // 声明一个类型为T的原子类型变量t
#include <atomic>
int main()
{
atomic<int> a1(0);
//atomic<int> a2(a1);  // 编译失败
atomic<int> a2(0);
//a2 = a1;        // 编译失败
return 0;
}

注意：原子类型通常属于"资源型"数据，多个线程只能访问单个原子类型的拷贝，因此在C++11
中，原子类型只能从其模板参数中进行构造，不允许原子类型进行拷贝构造、移动构造以及
operator=等，为了防止意外，标准库已经将atmoic模板类中的拷贝构造、移动构造、赋值运算
符重载默认删除掉了。

四.lock_guard与unique_lock

在多线程环境下，如果想要保证某个变量的安全性，只要将其设置成对应的原子类型即可，即高
效又不容易出现死锁问题。但是有些情况下，我们可能需要保证一段代码的安全性，那么就只能
通过锁的方式来进行控制。
比如：一个线程对变量number进行加一100次，另外一个减一100次，每次操作加一或者减一之
后，输出number的结果，要求：number最后的值为1。 

#include <thread>
#include <mutex>
int number = 0;
mutex g_lock;
int ThreadProc1()
{
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		g_lock.lock();
		++number;
		cout << "thread 1 :" << number << endl;
		g_lock.unlock();
	}
	return 0;
}
int ThreadProc2()
{
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		g_lock.lock();
		--number;
		cout << "thread 2 :" << number << endl;
		g_lock.unlock();
	}
	return 0;
}

int main()
{
	thread t1(ThreadProc1);
	thread t2(ThreadProc2);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "number:" << number << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

上述代码的缺陷：锁控制不好时，可能会造成死锁，最常见的比如在锁中间代码返回，或者在锁
的范围内抛异常。因此：C++11采用RAII的方式对锁进行了封装，即lock_guard和unique_lock。

lock_guard定义如下：

template<class _Mutex>
class lock_guard
{
public:
	// 在构造lock_gard时，_Mtx还没有被上锁
	explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx)
		: _MyMutex(_Mtx)
	{
		_MyMutex.lock();
	}
	// 在构造lock_gard时，_Mtx已经被上锁，此处不需要再上锁
	lock_guard(_Mutex& _Mtx, adopt_lock_t)
		: _MyMutex(_Mtx)
	{}
	~lock_guard() _NOEXCEPT
	{
		_MyMutex.unlock();
	}
	lock_guard(const lock_guard&) = delete;
	lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
	_Mutex& _MyMutex;
};

1.lock_guard

通过上述代码可以看到，lock_guard类模板主要是通过RAII的方式，对其管理的互斥量进行了封
装，在需要加锁的地方，只需要用上述介绍的任意互斥体实例化一个lock_guard，调用构造函数
成功上锁，出作用域前，lock_guard对象要被销毁，调用析构函数自动解锁，可以有效避免死锁
问题。

改造上述代码：

#include <thread>
#include <mutex>
int number = 0;
mutex g_lock;
int ThreadProc1()
{
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		lock_guard<mutex> lock(g_lock);//调用构造加锁，出作用域自动解锁
		++number;
		cout << "thread 1 :" << number << endl;
		
	}
	return 0;
}
int ThreadProc2()
{
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		lock_guard<mutex> lock(g_lock);//调用构造加锁，出作用域自动解锁
		--number;
		cout << "thread 2 :" << number << endl;
	}
	return 0;
}

int main()
{
	thread t1(ThreadProc1);
	thread t2(ThreadProc2);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "number:" << number << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

lock_guard的缺陷：太单一，用户没有办法对该锁进行控制，因此C++11又提供了unique_lock。

 2.unique_lock

与lock_gard类似，unique_lock类模板也是采用RAII的方式对锁进行了封装，并且也是以独占所有权的方式管理mutex对象的上锁和解锁操作，即其对象之间不能发生拷贝。在构造(或移动(move)赋值)时，unique_lock 对象需要传递一个 Mutex 对象作为它的参数，新创建的unique_lock 对象负责传入的 Mutex 对象的上锁和解锁操作。使用以上类型互斥量实例化unique_lock的对象时，自动调用构造函数上锁，unique_lock对象销毁时自动调用析构函数解锁，可以很方便的防止死锁问题。 

与lock_guard不同的是，unique_lock更加的灵活，提供了更多的成员函数：

  1. 上锁/解锁操作：lock、try_lock、try_lock_for、try_lock_until和unlock。
  2. 修改操作：移动赋值、交换(swap：与另一个unique_lock对象互换所管理的互斥量所有权)、释放(release：返回它所管理的互斥量对象的指针，并释放所有权)。
  3. 获取属性：owns_lock(返回当前对象是否上了锁)、operator bool()(与owns_lock()的功能相同)、mutex(返回当前unique_lock所管理的互斥量的指针)。

五.条件变量

对条件变量的熟悉我们linux互斥与同步已经讲过了，他们用来进行线程之间的互相通知。condition_variable和Linux posix的条件变量并没有什么大的区别，主要还是面向对象实现的。

例如：使用两个线程，两个线程交替打印奇数和偶数：

#include<mutex>
#include<condition_variable>
mutex g_lock;//锁
condition_variable cond;//条件变量

int num = 1;

//打印奇数
void Func1(int n)
{
	for (int i = 1; i <= n; i++)
	{
		unique_lock<mutex> mutex(g_lock);
		if (num % 2 == 0)
		{
			cond.wait(mutex);
		}
		cout << "thread1: " << num++ << endl;
		cond.notify_one();
	}
}

//打印偶数
void Func2(int n)
{
	for (int i = 1; i <= n; i++)
	{
		unique_lock<mutex> mutex(g_lock);
		if (num % 2 == 1)
		{
			cond.wait(mutex);
		}
		cout << "thread2: " << num++ << endl;
		cond.notify_one();
	}
}
int main()
{
	thread t1(Func1, 100);
	thread t2(Func2, 100);

	t1.join();
	t2.join();

	return 0;
}

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