1.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
  • 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
• [thread类文档]

2.线程对象的构造方法

1.无参构造

• **功能：**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
• 原型：thread()
• 样例：thread t;

2.带参构造

• **功能：**构造一个线程对象，并关联线程函数fn，args为线程函数的参数
• 定义如下

template <class Fn, class... Args>
explicit thread(Fn &&fn, Args &&...args);

• 参数：
  • fn**：**它是一个万能引用，可以接收：函数指针、仿函数、lambda表达式、被包装器包装后的可调用对象等
  • args**：**调用可调用对象fn时所需要的若干参数

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;
}

3.移动构造

void func(int x)
{
    cout << x << endl;
}

int main()
{
    // 3.移动构造
    thread t4 = thread(func, 10);

    t4.join();
    return 0;
}

4.注意

• 线程是OS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、
• 如果创建一个线程对象时，没有提供线程函数，该对象实际没有对应任何线程
• 如果创建线程对象时提供了线程函数，那么就会启动一个线程来执行这个线程函数，该线程与主线程一起运行
• 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，转移期间不影响线程的执行

3.thread提供的成员函数

• **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;

• 可以通过**joinable()**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join或者detach结束

4.获取线程id

• 调用thread的成员函数get_id可以获取线程的id，但该方法必须通过线程对象来调用get_id函数
• 如果要在线程对象关联的线程函数中获取线程id，可以调用this_thread命名空间下的get_id函数

void func()
{
    cout << this_thread::get_id() << endl; // 获取线程id
}

int main()
{
    thread t(func);
    t.join();
    return 0;
}

• this_thread命名空间中还提供了以下三个函数

5.线程函数的参数问题

• 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
• 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
• 以下给出三种解决方案

1.指针

void func(int *x)
{
    (*x)++;
}

int main()
{
    int n = 0;
    thread t1(func, &n);
       // ...
}

2.借助std::ref函数

• 当线程函数的参数类型为引用类型时，如果要想线程函数形参引用的是外部传入的实参，而不是线程栈空间中的拷贝，那么在传入实参时需要借助ref函数保持对实参的引用

void func(int &x)
{
    x++;
}

int main()
{
    int n = 0;
    thread t1(func, std::ref(n));
    // ...
}

3.借助lambda表达式

int main()
{
    int n = 0;
    thread t1([&n](){ n++; });
    // ...
}

6.join和detach

• 启动了一个线程后，当这个线程结束的时候，如何去回收线程所使用的资源呢？

1.join()

• 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join()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join() ，否则程序会崩溃
• 但采用join的方式结束线程，在某些场景下也可能会出现问题
  • 比如：在该线程被join之前，如果中途因为某些原因导致程序不再执行后续代码，这时这个线程将不会被join
  • 因此：采用join()方式结束线程时，join()的调用位置非常关键
  • 为了避免该问题，可以采用RAII的方式对线程对象进行封装

class myThread
{
public:
    myThread(thread &t)
        : _t(t)
    {}

    ~myThread()
    {
        if (_t.joinable())
        {
            _t.join();
        }
    }

    // 防拷贝
    myThread(myThread const &) = delete;
    myThread &operator=(const myThread &) = delete;

private:
    thread &_t;
};

2.detach()

• 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交给C++运行库
  • 同时，C++运行库保证，当线程退出时，其相关资源的能够正确的回收
• detach()函数一般在线程对象创建好之后就调用
  • 因为如果不是join()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掉而导致程序崩溃
    • 因为std::thread的析构函数中，如果线程的状态是joinable，std::terminate将会被调用，而terminate()函数直接会终止程序

7.mutex的种类

1.std::mutex – 互斥锁

• 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
• mutex最常用的三个函数：

• 注意：
  • 线程函数调用lock()时，可能会发生以下三种情况：
    • 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
    • 如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)
  • 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 – 递归互斥锁

• 该锁专门用于递归函数中的加锁操作
  • 如果在递归函数中使用mutex进行加锁，那么在该线程进行递归调用时，可能会重复申请已经申请到但自己还未释放的锁，进而导致死锁问题
  • 而recursive_mutex允许同一个线程对互斥量多次上锁(即递归上锁)，来获得互斥量对象的多层所有权
    • 但是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 – 时间互斥锁

• 比std::mutex多了两个成员函数
  • 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

4.std::recursive_timed_mutex – 递归时间互斥锁

8.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，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
• [lock_guard与unique_lock文档]

int number = 0;
mutex g_lock;

void ThreadProc1()
{
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        g_lock.lock();
        ++number;
        cout << "thread 1 :" << number << endl;
        g_lock.unlock();
    }
}

void ThreadProc2()
{
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        g_lock.lock();
        --number;
        cout << "thread 2 :" << number << endl;
        g_lock.unlock();
    }
}

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

1.lock_guard

• std::lock_gurad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 tag)
        : _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

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

6.原子性操作库 – atomic

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, 10000000);
    thread t2(fun, 10000000);
    t1.join();
    t2.join();

    cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
    return 0;
}

mutex m;
unsigned long sum = 0;

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;
}

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;
}

atomic<T> t; // 声明一个类型为T的原子类型变量t

atomic<int> a1(0);
// atomic<int> a2(a1);   // 编译失败

atomic<int> a2(0);
// a2 = a1; // 编译失败

7.条件变量库 – condition_variable

1.Wait functions

• 功能：让调用线程进行阻塞等待
  

// 版本一
void wait(unique_lock<mutex> &lck);

// 版本二
template <class Predicate>
void wait(unique_lock<mutex> &lck, Predicate pred);

• 调用第一个版本的wait函数时，只需要传入一个互斥锁，线程调用wait后会立即被阻塞，直到被唤醒
• 调用第二个版本的wait函数时，除了需要传一个互斥锁，还需要传入一个返回值类型为bool的可调用对象
  • 与第一个版本的wait不同的是，当线程被唤醒后还需要调用传入的可调用对象
    • 如果可调用对象的返回值为false，那么该线程还需要继续被阻塞

2.Notify functions