一.线程库(thread)

1.1 线程类的简单介绍

thread类文档介绍

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了，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。要使用标准库中的线程，必须包含< thread >头文件。

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, args, …)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
get_id()	获取线程id
joinable()	线程是否还在执行，joinable代表的是一个正在执行中的线程
join()	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

注意：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 可以通过joinable()函数判断线程是否是有效的。

get_id的返回值是什么？

#include <thread>
int main()
{
	std::thread t1;
	cout << t1.get_id() << 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;

如何给线程对象关联线程函数?

• 函数指针
• 函数对象(仿函数)
• lambda表达式
• 包装器

#include <iostream>
#include <thread>
#include <functional>
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(仿函数)
	thread t3(*ThreadFunc, 10);
	TF tf;
	thread t4(tf);
	// 线程函数为包装器
	function<void()> func = []() { cout << "Thread5" << endl; };
	thread t5(func);

	t1.join();
	t2.join();
	t3.join();
	t4.join();
	t5.join();
	cout << "Main thread!" << endl;
	return 0;
}

1.2 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 <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，因为：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
	thread t1(ThreadFunc1, a);
	t1.join();
	cout << a << endl;
	// 如果想要通过形参改变外部实参时，必须借助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;
}

二.锁

2.1 锁的介绍

随着计算机硬件的发展，多核CPU变得越来越普遍，多线程编程成为提升系统性能的重要手段。然而，多线程并发访问共享资源可能导致数据不一致性和竞态条件等问题。因此，C++11为了标准化并发编程模型，引入了基于内存模型的一系列并发支持，其中就包含了锁这样的同步原语。

2.1 mutex的种类

1. std::mutex

互斥访问：互斥锁（std::mutex）是最基础的同步对象，它可以阻止多个线程同时进入临界区（一段需要互斥执行的代码）。当一个线程获取了互斥锁后，其他试图获取该锁的线程会阻塞，直到该锁被释放。

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

2. std::recursive_mutex

递归锁定：std::recursive_mutex 允许同一线程多次获得同一个锁，这是针对那些可能会递归调用并需要重新锁定相同资源的情况。

3. std::timed_mutex

定时锁：std::timed_mutex 类似于普通互斥锁，但增加了尝试锁定指定时间段的功能，超时后不会阻塞而是返回错误。

函数名	函数功能
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。

2.2 lock_guard

std::lock_gurad 是 C++11 中定义的模板类。定义如下：

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。但是其使用方法太单一，用户没有办法对该锁进行控制，因此C++11又提供了unique_lock。

2.3 unique_lock

与lock_guard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。

• 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)。

2.4 原子操作库(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。

#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;
}

以上问题虽然加锁可以解决，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。

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。