C++11多线程—thread

 目录

1.thread类

2.线程函数参数

3.原子性操作库(atomic)

4.lock_guard与unique_lock

4.1mutex的种类

4.2lock_guard

4.3unique_lock

5.condition_variable

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1.thread类

        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，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

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。

#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;

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：
        函数指针
        lambda表达式
        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;
}

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，即将一个
线程对象关联线程的状态转移给其他线程对象。

5. 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

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，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>
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
	// 但其实际引用的是线程栈中的拷贝
	//thread t1(ThreadFunc1, a);//这里会报错，无法将int类型的值转换为int&类型的引用
	//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;
}

3.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>
using namespace std;
int main()
{
	int n = 100000;
	int val = 0;
	thread t1([&] {
		for (size_t i = 0; i < n; i++)
		{
			val++;
		}
		});
	thread t2([&] {
		for (size_t i = 0; i < n; i++)
		{
			val++;
		}
		});
	t1.join();
	t2.join();
	cout << val << endl;
	return 0;
}

运行截图：

运行结果是未预测的，可能会出现数据不一致的问题

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<thread>
#include<mutex>
using namespace std;
int main()
{
	int n = 100000;
	int val = 0;
	mutex mut;
	thread t1([&] {
		for (size_t i = 0; i < n; i++)
		{
			mut.lock();
			val++;
			mut.unlock();
		}
		});
	thread t2([&] {
		for (size_t i = 0; i < n; i++)
		{
			mut.lock();
			val++;
			mut.unlock();
		}
		});
	t1.join();
	t2.join();
	cout << val << endl;
	return 0;
}

运行截图：

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。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
using namespace std;
int main()
{
	int n = 100000;
	atomic<int> val = 0;
	thread t1([&] {
		for (size_t i = 0; i < n; i++)
		{
			val++;
		}
		});
	thread t2([&] {
		for (size_t i = 0; i < n; i++)
		{
			val++;
		}
		});
	t1.join();
	t2.join();
	cout << val << endl;
	return 0;
}

运行截图：

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;
}

4.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0。

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;
	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。

4.1mutex的种类

在C++11中，Mutex总共包了四个互斥量的种类：
函数名 函数功能
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	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：

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
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。
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。
4. std::recursive_timed_mutex

4.2lock_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。

4.3unique_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)。

5.condition_variable

condition_variable条件变量，用来进行线程之间的互相通知。

文档介绍

例：线程1打印奇数，线程2打印偶数

实现思路1：

int main()
{
	int i = 0;
	int n = 100;
	mutex mut;
	int flag = true;
	//打印奇数
	thread t1([&] {
		while (i < n)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mut);
			if (i % 2)
			{
				cout << "t1: " << this_thread::get_id() << ": " << i << endl;
				i++;
			}

		}
		});
	//打印偶数
	thread t2([&] {
		while (i <= n)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mut);
			if (i % 2 == 0)
			{
				cout << "t2: " << this_thread::get_id() << ": " << i << endl;
				i++;
			}
		}
		});
	t1.join();
	t2.join();
	return 0;
}

存在的问题：可能会存在一个线程一直占用CPU资源

改进后的代码：

实现思路2：通过加入条件变量的方式，当某个线程满足条件执行完之后唤醒另一个线程执行

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<condition_variable>
using namespace std;
int main()
{
	int i = 0;
	int n = 100;
	mutex mut;
	int flag = true;
	condition_variable cv;
	//打印奇数
	thread t1([&] {
		while (i < n)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mut);
			while (flag == true)
				cv.wait(lock); //通过条件变量的方式让该线程阻塞
			cout << "t1: " << this_thread::get_id() << ": " << i << endl;
			i++;
			flag = true;
			cv.notify_one();//唤醒另外一个线程
		}
		});
	//打印偶数
	thread t2([&] {
		while (i <= n)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mut);
			while (flag == false)
				cv.wait(lock);
			cout << "t2: " << this_thread::get_id() << ": " << i << endl;
			i++;
			flag = false;
			cv.notify_one();
		}
		});
	t1.join();
	t2.join();
	return 0;
}