【Linux】-多线程的知识都收尾（线程池，封装的线程，单例模式，自旋锁）

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💞作者专栏：C语言,数据结构初阶,Linux,C++ 动态规划算法🎄
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文章目录

前言
一、线程池
二、单例模式
三、STL,智能指针和线程安全
四、其他常见的各种锁
五、总结

前言

今天我们讲解线程的收尾工作，前面博主花了很长时间给大家讲解线程，确实线程这部分要将的东西太多了，大家把前面的掌握好了就不容易了，这篇博主要讲解的是带大家写一个线程池，还有一些c++中带线程，话不多说，我们开始进入正文的讲解。

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、线程池

大家还记得我写的进程池代码吗？？我们当初实现的进程池，是通过父进程创建多个子进程，父进程给子进程派发任务，子进程处理数据，那我们的线程池也是这样去做的，当时线程池比进程池要麻烦一点，他要多数据进行保护，接下来直接看代码，里面有注释：任务还是之前写的计算器任务。
ThreadPool.hpp:

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<vector>
#include<queue>
using namespace std;

struct ThreadInfo
{
    string threadname;
    pthread_t threadid;
};

template<class T>
class ThreadPool
{
    const static int num=3;//线程信息数组的默认容量，也就是线程数亩
public:
    void lock(pthread_mutex_t* lock)
    {
        pthread_mutex_lock(lock);
    }
    void unlock(pthread_mutex_t* lock)
    {
        pthread_mutex_unlock(lock);
    }
    void wait(pthread_cond_t* cond,pthread_mutex_t*lock)
    {
        pthread_cond_wait(cond,lock);
    }

    void signal(pthread_cond_t* cond)
    {
        pthread_cond_signal(cond);
    }

    string getThreadName(pthread_t tid1)//通过获取线程自己的tid,在线程信息数组找匹配的线程名
    {
        string name;
        for(const auto & tid:threadinfo_)
        {
            if(tid.threadid==tid1)
            {
               return tid.threadname;
            }
        }
        return "None";
    }

    bool IsEmpty()
    {
        return tasks_.empty();
    }
public:
    ThreadPool(int threadcap=num):threadinfo_(num)
    {
        //给互斥锁和条件变量进行初始化
        pthread_mutex_init(&lock_,NULL);
        pthread_cond_init(&cond_,NULL);
    }

   static void* threadfunc(void* arg)//因为线程执行的函数必须是一个参数，不用静态的，就会有一个隐藏的this，但有需要this来调用，所以创建线程的时候就直接将this传进来。
    {
        ThreadPool<T>* tp=static_cast<ThreadPool<T>*>(arg);
        string name=tp->getThreadName(pthread_self());
        while(true)
        {
            tp->lock(&tp->lock_);
            while(tp->IsEmpty())
            {
                tp->wait(&tp->cond_,&tp->lock_);
            }
            T task=tp->pop();
            tp->unlock(&tp->lock_);

            task();//处理任务，线程拿到任务就是自己的，所以不需要在加锁里面。


            cout<<name<<" is working on task: "<<task.GetTask()<<endl;

        }

    }
    void start()//启动线程（创建线程）
    {
        for(int i=0;i<threadinfo_.size();i++)//这个线程数初始化的时候就定好了，所以存放线程信息的数组大小也提前开辟好
        {
            threadinfo_[i].threadname="thread"+to_string(i);
            pthread_create(&(threadinfo_[i].threadid),NULL,threadfunc,this);
        }
    }
    T pop()//获取队列中的任务
    {
        T t=tasks_.front();
        tasks_.pop();
        return t;
    }
   void push(const T& task)
    {
        //加锁的目的让队列只能有一个线程访问，我主线程发任务你其他线程先等着，不然我放一办你就读取，读到的数据不完整
        lock(&lock_);
        tasks_.push(task);
        signal(&cond_);//当主线程发布一个任务后，任务队列肯定不为空，就可以唤醒线程来处理了
        unlock(&lock_);
    }
    ~ThreadPool()
    {
        pthread_mutex_destroy(&lock_);
        pthread_cond_destroy(&cond_);
    }
private:
    vector<ThreadInfo> threadinfo_;//存储创建的每个线程（处理主线程发来任务的线程）信息的数组
    queue<T> tasks_;//存放主线程发来任务的队列

    pthread_mutex_t lock_;//用于处理任务线程直接的互斥和同步
    pthread_cond_t cond_;//条件变量
};

main.cc:

#include"ThreadPool.hpp"
#include<ctime>
#include<unistd.h>
#include"task.hpp"
int main()
{
    cout<<"main start"<<endl;
    ThreadPool<Task>* tp=new ThreadPool<Task>(3);
    srand(time(nullptr)^getpid());
    tp->start();//启动线程池
    while(true)
    {
        int x=rand()%10+1;
        int y=rand()%10;
        char op=opers[rand()%opers.size()];

        Task t(x,y,op);//创建任务

        tp->push(t);//提交任务，其余的处理就让线程池去做吧
        
        sleep(1);
        cout<<"result:"<<t.GetResult()<<endl;
        
    }

    return 0;
}

此线程池一秒往线程里面发布一个任务，而线程需要实现同步互斥，所以结果会看到他们按照顺序来执行主线程发布的任务。

二、单例模式

之前在C++的博客中写过单例模式

单例模式是一种 "经典的, 常用的, 常考的设计模式.,IT行业这么火, 涌入的人很多. 俗话说林子大了啥鸟都有. 大佬和菜鸡们两极分化的越来越严重. 为了让菜鸡们不太拖大佬的后腿, 于是大佬们针对一些经典的常见的场景, 给定了一些对应的解决方案, 这个就是设计模式

单例模式的特点
某些类, 只应该具有一个对象(实例), 就称之为单例.
例如一个男人只能有一个媳妇.在很多服务器开发场景中, 经常需要让服务器加载很多的数据 (上百G) 到内存中. 此时往往要用一个单例的类来管理这些数据.

单例通常有两种设计模式，一种是俄汉，一种是懒汉，今天以懒汉为例：

懒汉方式实现单例模式(线程安全版本)
我们将刚才的线程池改成懒汉模式：
ThreadPooldanli.hpp:

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<vector>
#include<queue>
using namespace std;

struct ThreadInfo
{
    string threadname;
    pthread_t threadid;
};

template<class T>
class ThreadPool
{
    const static int num=3;//线程的默认容量
public:
    void lock(pthread_mutex_t* lock)
    {
        pthread_mutex_lock(lock);
    }
    void unlock(pthread_mutex_t* lock)
    {
        pthread_mutex_unlock(lock);
    }
    void wait(pthread_cond_t* cond,pthread_mutex_t*lock)
    {
        pthread_cond_wait(cond,lock);
    }

    void signal(pthread_cond_t* cond)
    {
        pthread_cond_signal(cond);
    }

    string getThreadName(pthread_t tid1)
    {
        string name;
        for(const auto & tid:threadinfo_)
        {
            if(tid.threadid==tid1)
            {
               return tid.threadname;
            }
        }
        return "None";
    }

    bool IsEmpty()
    {
        return tasks_.empty();
    }
public:
   static void* threadfunc(void* arg)
    {
        ThreadPool<T>* tp=static_cast<ThreadPool<T>*>(arg);
        string name=tp->getThreadName(pthread_self());
        while(true)
        {
            tp->lock(&tp->lock_);
            while(tp->IsEmpty())
            {
                tp->wait(&tp->cond_,&tp->lock_);
            }
            T task=tp->pop();
            tp->unlock(&tp->lock_);
            task();
            cout<<name<<" is working on task: "<<task.GetTask()<<endl;

        }
    }
    void start()//启动线程（创建线程）
    {
        for(int i=0;i<threadinfo_.size();i++)
        {
            threadinfo_[i].threadname="thread"+to_string(i);
            pthread_create(&(threadinfo_[i].threadid),NULL,threadfunc,this);
        }
    }
    T pop()
    {
        T t=tasks_.front();
        tasks_.pop();
        return t;
    }
   void push(const T& task)
    {
        lock(&lock_);
        tasks_.push(task);
        signal(&cond_);
        unlock(&lock_);
    }


   static ThreadPool<T>* getInstance()//对外提供单例对象接口，必须静态的，才能使用类名去调用
    {
        if(nullptr==instance_)//双重检查，第一次申请锁后，创建对象，后面的线程连第一个判断就进不去，就不会每个线程都会有申请锁释放锁的过程，增加效率。
        {
            pthread_mutex_lock(&mutex_);
            if(nullptr==instance_)
            {
                instance_=new ThreadPool<T>();
            }
            pthread_mutex_unlock(&mutex_);
        }
        return instance_;
    }

   //防拷贝
    ThreadPool(const ThreadPool&)=delete;
    const ThreadPool& operator=(const ThreadPool&)=delete;
private://将构造函数私有化，就创建不了对象了。
     ThreadPool(int threadcap=num):threadinfo_(num)
    {
        //给互斥锁和条件变量进行初始化
        pthread_mutex_init(&lock_,NULL);
        pthread_cond_init(&cond_,NULL);
    }
     ~ThreadPool()
    {
        pthread_mutex_destroy(&lock_);
        pthread_cond_destroy(&cond_);
    }
private:
    vector<ThreadInfo> threadinfo_;//存储每个线程信息的数组
    queue<T> tasks_;//存放主线程发来任务的队列

    pthread_mutex_t lock_;//互斥锁
    pthread_cond_t cond_;//条件变量
    
    static ThreadPool<T>* instance_;//定一个懒汉的单例对象，不能是栈区的变量，会套娃
    static pthread_mutex_t mutex_;//防止多线程同时创建对象，在刚判断完为不为空的时候，被切走，下次进来直接创建对象，这样就不止一个对象了
};

template<class T>
ThreadPool<T>* ThreadPool<T>::instance_=nullptr;//给单利对象进行初始化

template<class T>
pthread_mutex_t ThreadPool<T>::mutex_=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//初始化互斥锁

maindanli.cc:

#include"ThreadPooldanli.hpp"
#include<ctime>
#include<unistd.h>
#include"task.hpp"
int main()
{
    cout<<"main start"<<endl;
    
    srand(time(nullptr)^getpid());
    ThreadPool<Task>::getInstance()->start();//启动线程池
    while(true)
    {
        int x=rand()%10+1;
        int y=rand()%10;
        char op=opers[rand()%opers.size()];

        Task t(x,y,op);//创建任务

         ThreadPool<Task>::getInstance()->push(t);//提交任务
            sleep(1);
        cout<<"result:"<<t.GetResult()<<endl;
        
    }

    return 0;
}

效果和刚才的一样的。
最重要的代码：

 static ThreadPool<T>* getInstance()//对外提供单例对象接口，必须静态的，才能使用类名去调用
    {
        if(nullptr==instance_)//双重检查，第一次申请锁后，创建对象，后面的线程连第一个判断就进不去，就不会每个线程都会有申请锁释放锁的过程，增加效率。
        {
            pthread_mutex_lock(&mutex_);
            if(nullptr==instance_)
            {
                instance_=new ThreadPool<T>();
            }
            pthread_mutex_unlock(&mutex_);
        }
        return instance_;
    }

三、STL,智能指针和线程安全

STL中的容器是否是线程安全的?
不是.
原因是, STL 的设计初衷是将性能挖掘到极致, 而一旦涉及到加锁保证线程安全, 会对性能造成巨大的影响.而且对于不同的容器, 加锁方式的不同, 性能可能也不同(例如hash表的锁表和锁桶).因此 STL 默认不是线程安全. 如果需要在多线程环境下使用, 往往需要调用者自行保证线程安全.
智能指针是否是线程安全的?
对于 unique_ptr, 由于只是在当前代码块范围内生效, 因此不涉及线程安全问题.对于 shared_ptr, 多个对象需要共用一个引用计数变量, 所以会存在线程安全问题. 但是标准库实现的时候考虑到了这个问题, 基于原子操作(CAS)的方式保证 shared_ptr 能够高效, 原子的操作引用计数/

四、其他常见的各种锁

悲观锁：在每次取数据时，总是担心数据会被其他线程修改，所以会在取数据前先加锁（读锁，写锁，行锁等），当其他线程想要访问数据时，被阻塞挂起。
乐观锁：每次取数据时候，总是乐观的认为数据不会被其他线程修改，因此不上锁。但是在更新数据前，会判断其他数据在更新前有没有对数据进行修改。主要采用两种方式：版本号机制和CAS操作。
CAS操作：当需要更新数据时，判断当前内存值和之前取得的值是否相等。如果相等则用新值更新。若不等则失败，失败则重试，一般是一个自旋的过程，即不断重试。
自旋锁： 自旋锁适用于访问临界区时间短的。我们之前使用的锁只要申请失败就被挂起了，等释放后，唤醒在去竞争锁，挂起于欧唤醒浪费时间，自旋锁是一只申请，申请失败还申请，直到申请成功，当一个线程拿到锁，访问临界资源的时间过长，还不如让他挂起，频繁去申请锁不好，所以自旋锁适用于访问临界资源时间少的场景。（trylock函数）
在这里插入图片描述
这两个就是自旋锁加锁的方式，第一个是阻塞，第二个是非阻塞，为什么还阻塞呢？原因是他申请不到锁会一直申请，在用户看来是被阻塞住了，非阻塞的意思是，申请失败就返回，没有阻塞效果。