C++11——线程库的理解与使用

前言

一、线程库的构造

1.默认构造

2.带参构造

3.拷贝构造与赋值拷贝（不支持）

4.移动构造

二、线程调用lambda函数

三、线程安全与锁

1.lambda中的线程与锁

2.函数指针中的线程与锁

3.trylock()

4.recursive_mutex

5.lock_gurad守卫锁

6.unique_lock

四、条件变量

五、atomic

六、shared_ptr的多线程问题

七、懒汉模式中的线程安全问题

前言

之前我们学习过Linux的线程库thread，他是使用 POSIX 标准，而Windows中的线程库，使用的其他标准，在C++11之前他们的接口是不一样的，对代码的编写就很麻烦，Linux一套，Windows一套。C++11出来之后，引入了标准的线程库，使得在不同平台上编写具有可移植性的多线程代码变得更加容易。

一、线程库的构造

之前我们创建线程，都要先pthread_t 创建一个线程tid，然后把线程id，线程属性，一个函数指针，还有参数都传递过去。如果参数较多，我们还得封装成一个结构体，把结构体地址传过去。这并不是很方便，也不是很体面。

1.默认构造

C++11提供了线程的默认构造（创建线程，但不启动）

使用方法很简单，创建即可，一般要配合移动构造使用。（后面会讲）

2.带参构造

带参构造，第一个参数为可调用对象（函数指针，仿函数，lambda函数，包装器）并且函数返回值并不限制，第二个参数为可变参数包，也就是我们不需要再有一个线程id，和设置线程属性，同时也不需要再封装成一个结构体了，直接将参数传递给参数包，他自动解析就可以了。

现在我们来使用一下C++11的线程构造，如下，让 t 线程去执行Print函数。其中this_thread作用域下的get_id()能获取当前进程的id。

运行发现让id为19524的线程去执行了函数。

多个参数也很简单，直接传递参数即可，不再需要使用结构体。

3.拷贝构造与赋值拷贝（不支持）

thread库并不支持拷贝构造与赋值拷贝，如果允许拷贝构造或拷贝赋值，那么会导致多个线程对象管理同一个底层线程，这可能会引发竞争条件和资源管理问题。

4.移动构造

线程的移动构造是在线程即将死亡（被回收）的时候，把资源给另外一个线程。因为这样线程依然只属于一个人，不会造成多个线程对象管理同一个底层线程的情况。

同时他能配合默认构造一起使用，因为默认构造，你根本都没传递函数，你怎么能让线程去处理任务呢？配合移动构造，就能让默认构造的线程也跑起来。

move是将t2转为将亡值。t1去夺舍t2。

同时，这样我们也可以使用容器管理线程了。因为反正有默认构造，vector只传入 int 整形就是在进行默认构造。后面再通过移动赋值让线程运行。

小总结：

带参构造，创建可执行线程
先创建空线程对象，移动构造或者移动赋值将右值对象转移过去

二、线程调用lambda函数

我们知道，线程需要调用一个可调用对象，让他去执行这个可调用对象，从而让线程运行起来。其中运用最多的就是普通函数和lambda函数，这是因为让线程执行任务，我们只需要把任务说明白就行，包装器更适合提取函数的类型，仿函数又不够轻量化。

线程调用lambda函数比较简单，代码如下，在lambda捕获列表进行捕获就可以了。

三、线程安全与锁

1.lambda中的线程与锁

我们定义一个变量，让两个线程同时去对这个变量做++操作，按道理结果应该是20000，但是有可能结果不如我们的预期，这就是多线程导致的数据安全问题，++x并不是原子操作。

我们需要对临界资源进行上锁，来保证临界资源的安全。C++11的mutex库提供的mutex默认构造，直接使用即可

代码如下，对++x进行加锁与解锁

2.函数指针中的线程与锁

在函数指针中，我们也传递一把锁，让他去保护临界资源x，这里都传递的是引用，按照之前的学习，我们的代码是没有问题的，这里却发生报错，编译不通过。

这是因为你传递的参数是传递给thread带参构造的可变参数包的，并不是我们看到的直接传参，他还会有一些处理。

thread 构造函数会对传递的参数进行拷贝或移动，然后将这些拷贝或移动后的参数传递给线程函数，导致在新线程中修改的实际是拷贝或移动后的引用，而不是原始的引用，因此会发生错误。

添加ref代表强制引用，因此我们这里记住添加ref就好。

这确实比较麻烦，我们也可以选择用指针，就可以避免这些问题。

3.trylock()

锁的lock()如果现在申请不到锁，就会在锁的等待队列上等待，直到轮到了自己，才会申请锁成功。而trylock()申请锁失败不会进入等待队列进行等待，而是返回false，继续往后执行。

4.recursive_mutex

revursive_mutex是递归互斥锁，线程在持有锁的情况下，再递归调用自己的函数，如果是普通的互斥锁就会发生死锁，此时需要使用递归互斥锁，防止死锁。

5.lock_gurad守卫锁

再我们对临界资源进行加锁解锁时，可能会发生一些意外，比如把解锁写错了，写成加锁

当然，这个错误比较低级，但如果临界区代码发生了异常呢？

大家看如下代码，我们在加锁与解锁中模拟了一个异常情况。

如果发生了异常，catch 块中的代码会被执行，然后程序会继续执行 try-catch 块之后的代码，而不会回到抛出异常的地方继续执行，于是我们的锁就不会解锁，后续线程想申请锁，就申请不到了，这会导致死锁的发生。

因此我们需要利用RAII的思想，使用lock_guard来守护线程，也就是把锁资源交给一个类，让类构造时申请资源，析构时自动释放资源。

使用如下代码进行mutex资源守护，注意成员变量和构造参数一定要引用，因为锁是不支持拷贝的，使用引用代表指的一直是这一把锁。

template<class Lock>
class LockGuard
{
public:
	LockGuard(Lock& lk)
		:_lk(lk)
	{
		_lk.lock();
	}
	~LockGuard()
	{
		_lk.unlock();
	}
private:
	Lock& _lk;
};

那么线程使用上了LockGuard，出了作用域会自动析构，也就是说你catch捕获异常的时候，我就会析构了，然后释放锁资源，就不会死锁了。

std库也给我们设计好了 lock_guard，拿来用就可以了。

6.unique_lock

unique_lock也可以完成守卫锁的任务，他比守卫锁多了手动的加锁与解锁，同时可以与time_mutex进行配合。

四、条件变量

condition_variable就是条件变量，他只有默认构造。同时wait函数需要传递的锁是unique_lock类型。传入unique_lock就是要让wait先去解锁之后再去等待，lock_guard不支持手动解锁

条件变量本质就是通知，告诉等待你可以去再申请锁了。notify_one是通知某一个线程，notify_all通知所有线程。如果没有线程等待，就不做处理。

如下代码，就运用了条件变量，实现让线程1线程2轮流打印。

首先是使用unique_lock进行加锁，一开始flag为false，因此t1线程不会去等待，肯定是t1线程先打印，再将flag置为true，再通知t2线程。

此时t2线程要么在锁的地方阻塞住，要么就比t1线程更先运行，已经判断过flag为 false了，在wait中进行等待，被通知了就继续运行了，因此就可以实现交替打印了。

#include<iostream>
#include<thread>
#include<vector>
#include<mutex>
using namespace std;
int main()
{
	int n = 20;
	bool flag = false;
	mutex mtx;
	condition_variable cv;
	thread t1([n, &flag,&mtx,&cv] {
		for (int i = 1; i <= n; i++)
		{
			if(i%2==1)
			{
				unique_lock<mutex> lock(mtx);//加锁，出作用域自动解锁
				if (flag)
				{
					cv.wait(lock);//wait先解锁在去等待队列等待
				}
				cout << i << endl;
				flag = true;
				cv.notify_one();//信号变量通知其他线程取消等待
			}
		}
		});
	thread t2([n, &flag, &mtx, &cv] {
		for (int i = 1; i <= n; i++)
		{
			if (i % 2 == 0)
			{
				unique_lock<mutex> lock(mtx);//加锁，出作用域自动解锁
				if (!flag)
				{
					cv.wait(lock);//wait先解锁在去等待队列等待
				}
				cout << i << endl;
				flag = false;
				cv.notify_one();//信号变量通知其他线程取消等待
			}
		}
		});
	t1.join();
	t2.join();
}