C++11（下）：线程库

线程库

    • 1.线程
      • 1.1线程类介绍以及简单使用
      • 1.2线程函数参数
      • 1.3如何获取线程函数返回值
    • 2.锁
      • 2.1锁的种类
      • 2.2 lock_guard与unique_lock
    • 3.原子库
      • 3.1介绍与基本使用
      • 3.2CAS（原子操作原理）
    • 4.条件变量

1.线程

1.1线程类介绍以及简单使用

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,args1, args2,…)构造一个线程对象，并关联线程函数fn，并传递args1，args2，…为线程函数的参数(模板参数包)，此时线程已经启动。
get_id()获取线程id。
joinable()判断线程是否还在执行，还在执行返回真，否则返回假。
join()线程调用该函数阻塞(通常是主线程调用)，一直等到对应线程结束，回收完才向后执行。
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。
（如果不在乎线程任务什么时候完成可以使用该函数，否则必须join回收子进程）

注意：

  1. 如果一个子线程即不join，也不detach，那么该线程执行完成后会导致程序异常终止。
  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。
    线程函数一般情况下可按照以下三种方式提供：
    ①函数指针
    ②lambda表达式
    ③函数对象
#include <iostream>
using namespace std;
#include <thread>
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;
}
  1. 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。
#include<iostream>
#include<thread>
#include<vector>
using namespace std;
//1.移动构造的主要意义在于可以先创建好一批线程对象，需要时才分配任务
void fun(int a)
{
	cout << a << endl;
}
int main()
{
	//先创建了10个线程对象,但没有执行
	vector<thread> vthd(10);
	for (auto& thd : vthd)
	{
		thd = thread(fun, 1);  //后续才分配给任务
	}
	return 0;
}

//2.移动构造
//（1）通过使用移动构造，线程对象可以简单地“接管”另一个线程对象所拥有的资源，而无需复制它们，这可以提高效率和资源利用率。
//（2）更好的兼容vector等容器（插入有右值版本）
//（3）提高了灵活性，编写代码时可以以线程对象为参数和返回值
  1. 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
    ①采用无参构造函数构造的线程对象
    ②线程对象的状态已经转移给其他线程对象(移动构造)
    ③线程已经调用jion或者detach结束

1.2线程函数参数

thread的构造函数接受的是一系列可复制（copyable）的参数，因为thread需要存储这些参数，以便在创建的新线程中调用相应的函数或可调用对象。但是，引用本身并不是可复制的类型，所以线程函数传递引用时需要做封装，把引用封装成可拷贝类型。（实在理解不了记忆就好了）
具体怎么封装的可以看这个大佬的博客：std::ref 总结

#include <thread>
void ThreadFunc1(int& x)
{
    x += 10;
}
void ThreadFunc2(int* x)
{
    *x += 10;
}
int main()
{
    int a = 10;
    // 下面的注释代码无法通过编译
    //thread t1(ThreadFunc1, a);
    
    // 下面的才是正确的写法
    thread t2(ThreadFunc1, std::ref(a));
    t2.join();
    cout << a << endl;
    // 也可以采用地址的方式，这样即使是拷贝也可以解引用找到对象本身
    thread t3(ThreadFunc2, &a);
    t3.join();
    cout << a << endl;
    return 0;
}

1.3如何获取线程函数返回值

  • 使用输出型参数（引用或指针），回收了子进程再去拿对应的返回值，好处是方便并且灵活，但拿的需要确保该结果是有效的。
  • 利用future类和async类。

（1）future类介绍：

函数功能
future()默认构造，创建后为无效future，valid函数返回false
future(future&& other)移动构造，使用后原对象valid函数返回false
T get()获取线程的返回值，如果线程没有执行完成后阻塞一直到线程结束
bool valid()判断future是否有效。无效future有三种情况：一是使用默认构造函数创建的；二是调用过移动构造；三是调用过get函数。
future_status wait_for(chrono::duration)设置最大阻塞时间。 超过该时间返回一个枚举类型future_status。
future_status wait_until(chrono::time_point)设置最大等待时间。超过该时间返回一个枚举类型future_status。

关于枚举类型future_status：

  • std::future_status::deferred：表示计算结果的函数尚未开始执行。
  • std::future_status::ready：表示结果已经准备好，可以通过 std::future::get() 获取。
  • std::future_status::timeout：表示等待超时，异步操作仍未完成。

future类获取返回值一般有两种策略（默认future有效）：

  1. 直接使用get()函数来阻塞获取，简单。
  2. 利用wait_for()或者wait_until()来获取，依据返回值判断能否get()拿。

（2）async介绍：
启动类似于thread的使用，返回值为一个future类对象。

（3）综合使用：

#include <thread>
#include <future>
#include <iostream>

int main()
{
    //简单示例,没有参数，参数传递和thread一样
    auto ff = std::async([] { return "你好呀"; });
    //一般建议都要get(),如果不get(),即不关心返回建议使用thread
    std::cout << ff.get() << std::endl;  
}


2.锁

2.1锁的种类

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。mutex最常用的三个函数：
函数名功能
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

简单使用：

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

  1. std::recursive_mutex
    其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。
    【即拿到锁后需要递归，当前拿到锁的线程不会阻塞】

  2. std::timed_mutex
    比 std::mutex 多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until() 。
    （1）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。
    （2）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。

  3. std::recursive_timed_mutex
    比 std::recursive_mutex多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until()，用法与前面一致 。


2.2 lock_guard与unique_lock

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，实际加锁推荐使用这两个类。

  1. 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;
};

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。

  1. unique_lock

unique_lock基础使用与lock_guard一致，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)。



3.原子库

3.1介绍与基本使用

如果我们只是需要对一个变量进行保护，利用锁会影响程序运行的效率（加锁是消耗较大的，最好用来保护一段代码），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（要么完成，要么回退到最开始）：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。
在这里插入图片描述

基本使用：

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

当然，我们也可以使用atomic类模板，定义出需要的任意原子类型（库支持的类型才可以）。

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;
}

3.2CAS（原子操作原理）

这里只讲最简单的理解：在变量修改前记录旧值old，后续修改操作进行到最后更改内存时，检查前面内存值是否与旧值old一致，一致说明是安全的，进行修改，否则回到修改代码之前，循环该过程知道完成修改。



4.条件变量

condition_variable的使用比较简单，只有几个接口：

函数名功能
condition_variable()默认构造
wait(mutex)条件不满足时，传入锁，当前线程解锁并阻塞，一直到被唤醒
wait_for(mutex, chrono::duration)在一段时间内阻塞，超时后无论有没有被唤醒都会去申请锁资源
wait_until(mutex, chrono::time_point)在到达时间点前阻塞，超过后无论有没有被唤醒都会去申请锁资源
notify_one()满足条件后唤醒一个线程
notify_all()满足条件后唤醒所有线程（尽量少用，避免出现伪唤醒）

使用案例，两个线程交替打印奇偶数：

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

//让两个线程交替打印奇偶数
int main()
{
	//锁
	mutex m;
	//条件变量
	condition_variable cv;
	int x = 1;
	bool flag = false;
	thread t1([&]() {
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			unique_lock<mutex> ul(m);
			while (x % 2 == 0)  cv.wait(ul);  //为偶数不满足
			cout << "我是打印奇数的" << this_thread::get_id << ":" << x << endl;
			x++;
			cv.notify_one();
		}
	});

	thread t2([&]() {
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			unique_lock<mutex> ul(m);
			while (x % 2 == 1)  cv.wait(ul); //为奇数不满足
			cout << "我是打印偶数的" << this_thread::get_id << ":" << x << endl;
			x++;
			cv.notify_one();
		}
	});
	t1.join();
	t2.join();
	return 0;
}

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