C++线程库

news2024/10/5 18:34:51

C++线程库是C++11新增的重要的技术之一，接下来来简单学习一下吧！ 

thread类常用接口

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。

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，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：

int main()
{
	std::thread t1;
	std::cout << t1.get_id() << std::endl;
	return 0;
}

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;

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>
void ThreadFunc(int a)
{
	std::cout << "thread1" << a << std::endl;
}

class TF
{
public:
	void operator()()
	{
		std::cout << "thread3" << std::endl;
	}
};
int main()
{
	//线程函数为函数指针
	std::thread t1(ThreadFunc, 10);

	//线程函数为lambda表达式
	std::thread t2([] {std::cout << "thread2" << std::endl; });

	//线程函数为函数对象
	TF tf;
	std::thread t3(tf);

	t1.join();
	t2.join();
	t3.join();

	std::cout << "Main thread!" << std::endl;

	return 0;
}

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。

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：

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、线程已经调用jion或者detach结束。

并发与并行的区别？并发是指多个任务在一时间段内交替执行。并行是指多个任务同时执行，每个任务在独立的处理器上执行。

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。

#include<iostream>
#include<thread>
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，线程函数参数虽然是引用方式，但其实际引用的是线程栈中的拷贝
	std::thread t1(threadFunc1, a);
	t1.join();
	std::cout << a << std::endl;

	// 如果想要通过形参改变外部实参时，必须借助std::ref()函数
	std::thread t2(threadFunc1, std::ref(a));
	t2.join();
	std::cout << a << std::endl;

	//地址的拷贝
	std::thread t3(threadFunc2, &a);
	t3.join();
	std::cout << a << std::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。

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：

#include<iostream>
#include<thread>
unsigned long sum = 0L;

void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
	{
		sum++;
	}
}

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

C++98中传统的解决方式：可以对共享修改的数据可以加锁保护：

#include<iostream>
#include<mutex>
#include<thread>
unsigned long sum = 0L;
std::mutex _mutex;
void fun(size_t num)
{
	
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
	{
		_mutex.lock();
		sum++;
		_mutex.unlock();
	}
	
}

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

虽然加锁可以解决，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。需要使用以上原子操作变量时，必须添加头文件#include<atomic>。

#include<iostream>
#include<thread>
#include<atomic>
std::atomic_long sum{ 0 };
void fun(size_t num)
{
	
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
	{
		sum++;
	}
	
}

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

可以看到，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

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。

#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;
}

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<iostream>
#include<mutex>
#include<thread>
#include<atomic>

std::mutex _mutex;
int number = 0;

void threadAdd()
{
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		_mutex.lock();
		++number;
		std::cout << "thread 1: " << number << std::endl;
		_mutex.unlock();
	}
}

void threadDel()
{
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		_mutex.lock();
		--number;
		std::cout << "thread 2: " << number << std::endl;
		_mutex.unlock();
	}
}
int main()
{
	std::thread t1(threadAdd);
	std::thread t2(threadDel);
	t1.join();
	t2.join();

	std::cout << "number:" << number << std::endl;
	system("pause");

	return 0;
}

假设线程 t1 先启动，并在执行 _mutex.lock() 之后被线程调度器暂停，此时线程 t2 启动并执行 _mutex.lock()。由于 _mutex 是一个互斥锁，在 t2 执行期间，t1 将会被阻塞，等待 t2 释放 _mutex。

然而，t2 在执行 --number 之后，还没有执行 std::cout 语句，即便它现在想要释放 _mutex，也无法立即释放，因为其他线程正在等待获取该互斥锁。此时，t2 会被线程调度器暂停，t1 仍然无法继续执行。

这样，t1 和 t2 互相等待对方释放互斥锁，形成了死锁状态。没有任何线程能够继续执行，导致程序被死锁。

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

在C++11中，Mutex总共包了四个互斥量的种类：

1.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，也不能进行移动拷贝或赋值。mutex最常用的三个函数:

函数名函数功能.
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，如果互斥量被其他线程占有，则当前线程也不会被阻塞.

注意事项：

⭐当线程调用lock()的时候，会有三种情况：

🌙如果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。

🌙如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前的调用线程被阻塞住。它会一直等待，直到其他线程释放了该互斥量的锁，才能继续执行。

🌙如果当前互斥量被当前调用线程锁住，再次调用lock操作将导致死锁。这是因为线程已经拥有该互斥量的锁，并且不会释放它，在这种情况下，线程会一直等待自己释放锁，从而导致死锁。

⭐线程函数调用try_lock()时，可能会发生以下三种情况：

🌙如果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。
🌙如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前调用线程返回 false，而并不会被阻塞掉。
🌙如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。

2. 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，std::recursive_mutex 的特性和 std::mutex 大致相同。

3. 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之内线程如果没有获得锁则被阻塞住（与
std::mutex 的 try_lock() 不同，try_lock 如果被调用时没有获得锁则直接返回false），如果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，如果超时（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果没有获得锁则被阻塞住，如果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，如果超时（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。

lock_guard

std::lock_gurad 是 C++11 中定义的模板类。定义如下：

//一般传入的就是互斥锁
template<class _Mutex>
class lock_guard
{
public:
	// 在构造lock_gard时，_Mtx还没有被上锁
	//explicit禁止隐式转换
	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;
};

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。

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。

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)。

condition_variable 

在C++中也实现了对条件变量的技术支持。条件变量是一种线程同步机制，其作用是对一个线程进行阻塞，而后当该线程的某些条件满足后，就可以进行线程恢复，让线程苏醒。

线程阻塞：

std::condition_variable::wait  未满足某些条件时，阻塞线程。

线程通知：

std::condition_variable::notify_all。通知满足该条件的所有线程苏醒。

std::condition_variable::notify_one。通知满足该条件的某一个线程苏醒。 

案例

支持两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数。

#include<iostream>
#include<mutex>
#include<thread>
#include<condition_variable>
//支持两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数
void two_thread_print()
{
	std::mutex _mutex;
	std::condition_variable cv;
	int n = 100;
	bool flag = true;//线程阻塞条件，false的时候，阻塞线程t1，true的时候阻塞线程t2
	std::thread t1([&]() {
		int i = 0;
		while (i < n)
		{
			std::unique_lock<std::mutex> lock(_mutex);//上锁
			cv.wait(lock, [&]()->bool {return flag; });//当返回true的时候，该线程不会被阻塞
			std::cout << "t1: "<< i << std::endl;
			flag = false;//条件改变
			i += 2;//偶数
			cv.notify_one();//唤醒满足条件的线程之一
		}
		});
	std::thread t2([&]() {
		int j = 1;
		while (j < n)
		{
			std::unique_lock<std::mutex> lock(_mutex);//上锁
			cv.wait(lock, [&]()->bool {return !flag; });//当返回为true的时候，该线程不会被阻塞
			std::cout << "t2: " << j << std::endl;
			flag = true;//改变条件
			j += 2;//奇数
			cv.notify_one();//唤醒满足条件的线程
		}
		});

	t1.join();
	t2.join();
}
int main()
{
	two_thread_print();
	return 0;
}

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