C++进阶 —— 线程库(C++11新特性）

十，线程库

thread类的简单介绍

在C++11之前涉及多线程问题，都是和平台相关的，如windows和Linux下各有自己的接口，这使代码的可移植性较差；C++11中最重要的特性就是对线程进行支持，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用了原子类的概念；

要使用标准库中的线程，必须包含<thread>头文件；

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；
get_id()，获取线程id；
jionable()，线程是否还在执行，jionable代表一个正在执行中的线程；
jion()，该函数调用后会阻塞主线程，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”与主线程无关；

注：

线程是操作系统的一个概念，线程对象可关联一个线程，用来控制线程以及获取线程的状态；
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；

thread t;
cout << t.get_id() << endl;

get_id()返回类型为id，id类型实际为std::thread命名空间下封装的一个类；

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；
- 函数指针
- lambda表达式
- 函数对象

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

void ThreadFunc(int a)
{
	cout << "Thread1:" << a << endl;
}

class TF
{
public:
	void operator()()
	{
		cout << "Thread3" << endl;
	}
};

int main()
{
	//线程函数为函数指针
	thread t1(ThreadFunc, 10);
	//线程函数为lambda表达式
	thread t2([] {cout << "Thread2" << endl; });
	//线程函数为函数对象
	TF tf;
	thread t3(tf);

	t1.join();
	t2.join();
	t3.join();
	cout << "Main Thread!" << endl;
	return 0;
}

thread类是防拷贝的，不允许拷贝构造以及赋值，但可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；
可通过jionable()函数判断线程是否是有效的，如是以下任意情况则线程无效；
- 采用无参构造函数构造的线程对象；
- 线程对象的状态已经转移给其他线程对象了；
- 线程已经调用jion或detach结束；

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；

注，如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；

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

void ThreadFunc1(int& x)
{
	x += 10;
}
void ThreadFunc2(int* x)
{
	*x += 10;
}

int main()
{
	int a = 10;
	//在线程函数中对a修改，不会影响外部实参，因为线程函数参数虽然是引用方式，但实际引用的是线程栈中的拷贝；
	thread t1(ThreadFunc1, a);
	t1.join();
	cout << a << endl;
	//如像通过形参改变外部实参，需借助std::ref()函数
	thread t2(ThreadFunc1, std::ref(a));
	t2.join();
	cout << a << endl;
	//地址的拷贝
	thread t3(ThreadFunc2, &a);
	t3.join();
	cout << a << endl;
	return 0;
}

jion与detach

启动了一个线程后，当这个线程结束的时候，thread库有两种方式回收线程使用的资源；

jion()

主线程被阻塞，当新线程终止时，join()会清理相关的线程资源，然后返回，主线程再继续向下执行，然后销毁线程对象；由于jion()清理了线程的相关资源，thread对象与已销毁的线程就没有关系了，因此一个线程对象只能使用一次jion()，否则程序会崩溃；

//jion()的误用一
//如DoSomething()返回false主线程结束，jion()没有调用，线程资源没有回收，造成资源泄露
void ThreadFunc() { cout<<"ThreadFunc()"<<endl; }
bool DoSomething() { return false; }
int main()
{
 std::thread t(ThreadFunc);
 if(!DoSomething())
 return -1;

 t.join();
 return 0;
}

// jion()的误用二
void ThreadFunc() { cout<<"ThreadFunc()"<<endl; }
void Test1() { throw 1; }
void Test2()
{
 int* p = new int[10];
 std::thread t(ThreadFunc);
 try
 {
 Test1();
 }
 catch(...)
 {
 delete[] p;
 throw;
 }

 t.jion();
}

因此采用jion()方式结束线程时，jion()的调用位置非常关键，为避免该问题，可采用RAII方式对线程对象进行封装；

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
class mythread
{
public:
    explicit mythread(std::thread& t)
        :m_t(t)
    {}
    ~mythread()
    {
        if (m_t.joinable())
            m_t.join();
    }
    mythread(mythread const&) = delete;
    mythread& operator=(const mythread&) = delete;
private:
    std::thread& m_t;
};

void ThreadFunc() { cout << "ThreadFunc()" << endl; }
bool DoSomething() { return false; }

int main()
{
    thread t(ThreadFunc);
    mythread q(t);
    if (DoSomething())
        return -1;
    return 0;
}

detach()方式

该函数被调用后，新线程与线程对象分离，不再被线程对象所表达，就不能通过线程对象控制线程了，新线程会在后台运行，其所有权和控制权将会给C++运行库；同时C++运行库保证，当线程退出时，其相关资源能够正确回收；
detach()函数一般在线程对象创建好后就调用，因为如不是jion()等待方式结束，那么线程对象可能会在新线程结束之前被销毁而导致程序崩溃；因为std::thread的析构函数中，如线程的状态是jionable，std::terminate将会被调用，而terminate()函数直接会终止程序；
因此线程对象销毁前，要么以jion()的方式等待线程结束，要么以detach()的方式将线程对象分离；

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)；如共享数据都是只读，没有问题，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；但当一个或多个线程要修改共享数据时，就会产生潜在的麻烦；

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

unsigned long sum = 0L;
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, 10000000);
	thread t2(fun, 10000000);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

C++98传统的解决方式，对共享修改的数据可加锁保护；

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
using namespace std;

std::mutex m;
unsigned long sum = 0L;
void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
	{
		m.lock();
		sum++;
		m.unlock();
	}
}

int main()
{
	cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;
	thread t1(fun, 10000000);
	thread t2(fun, 10000000);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

虽然加锁可以解决，但加锁有一个缺陷，就是只要一个线程在对sum++是，其他线程就会被阻塞，会影响程序运行效率，而且锁如果控制不好，容易造成死锁；

因此C++11引入了原子操作，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；需要使用以上原子操作变量时，必须添加头文件；

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
using namespace std;

atomic_long sum{ 0 };
void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
		sum++; // 原子操作
}
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访问；可以使用atomic类模板，定义出需要的任意原子类型；

// 声明一个类型为T的原子类型变量t
atmoic<T> t;

注，原子类型通常属于“资源型”数据，多个数据只能访问单个原子类型的拷贝，因此C++11中原子类型只能从其他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atomic模板类中的拷贝构造、移动构造、赋值运算符重载默认删除了；

lock_guard与unique_lock

在多线程环境下，如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，但有些情况下，可能需要保证一段代码的安全性，那么就只能通过死锁的方式进行控制了；

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
using namespace std;

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;
}

上述代码的缺陷是锁控制不好可能会造成死锁，最常见的比如在锁中间代码返回，或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；

mutex的种类

C++11中，mutex总共四个互斥量的种类；

std::mutex

C++11提供的最基本的互斥量，该类的对象之间不能拷贝，也不能进行移动；
最常见三个函数
- lock()，上锁，锁住互斥量；
- unlock()，解锁，释放对互斥量的所有权；
- try_lock()，尝试锁住互斥量，如互斥量被其他线程占用，则当前线程也不会被阻塞；

线程函数调用lock()时，可能会发生以下三种情况

如该互斥量当前没有被锁住，则调用线程将该互斥量锁住，直到调用unlock之前，该线程一直拥有该锁；
如当前互斥量被其他前程锁住，则当前的调用线程被阻塞；
如当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁；

线程函数调用try_lock()时，可能会发生以下三种情况

如当前互斥量没有被其他线程占有，则该线程锁住互斥量，直到该线程调用unlock释放互斥量；
如当前互斥量被其他线程锁住，则当前调用线程返回false，并不会被阻塞掉；
如当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁；

std::recursive_mutex

允许同一个线程对互斥量多次上锁(即递归上锁)，来获得对互斥量对象的多层所有权，释放互斥量时需要调用与该锁层次深度相同次数的unlock()，除此之外，与std::mutex大致相同；

std::timed_mutex

比std::mutex多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until()；

try_lock_for()

接受一个时间范围，表示在这一段时间范围内，线程如没有获得锁则被阻塞(与std::mutex的try_lock()不同，try_lock如被调用时没有获得锁则直接返回false)，如在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，如超时(即在指定时间内还是没有获得锁)，则返回false；

try_lock_until()

接受一个时间点作为参数，在指定时间点未到来之前线程如没有获得锁则被阻塞，如在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，如超时(即在指定时间内还是没有获得锁)，则返回false；

std::recursive_timed_mutex

lock_guard

std::lock_guard是C++11中定义的模板类；

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;
};

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。

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：

上锁/解锁操作：lock、try_lock、try_lock_for、try_lock_until和unlock
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)
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)。

lock_guard/unique_lock详解