〖C++11〗线程库详解

「前言」文章是关于C++11线程库相关的

「归属专栏」C嘎嘎

「笔者」枫叶先生(fy)

「座右铭」前行路上修真我

「枫叶先生有点文青病」

「每篇一句」

 请不要把陌生人的些许善意，

视为珍稀的瑰宝，

却把身边亲近人的全部付出，

当做天经地义的事情，

对其视而不见 
 ——烽火戏诸侯《剑来》

目录

一、简介

二、线程库（thread）

三、互斥量库（mutex）

四、原子性操作库（atomic）

五、条件变量库（condition_variable）

六、实现两个线程交替打印

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一、简介

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。

C++11大致增加了五个库，其中常见的有：线程库（thread）、互斥量库（mutex）、原子性操作库（atomic）、条件变量库（condition_variable）

​

二、线程库（thread）

要使用标准库中的线程，必须包含 <thread> 头文件，thread的文档介绍：thread

成员函数有以下：

​

构造函数如下：

​ 

1. 第一个是无参的构造函数，调用无参的构造函数创建出来的线程对象没有关联任何线程函数，即没有启动任何线程
2. 第二个是带参的构造函数，调用带参的构造函数创建线程对象，能够将线程对象与线程函数fn进行关联
3. 第三个是拷贝构造函数，线程是禁止拷贝的
4. 第四个是移动构造函数，能够使用一个右值线程对象来构造一个线程对象

thread中常用的成员函数介绍如下：

 使用无参的构造函数

thread() noexcept;

 注：noexcept表示该函数不会抛异常

创建一个无参的线程如下：

thread t1;

调用无参的构造函数创建出来的线程对象没有关联任何线程函数，即没有启动任何线程。

thread提供了移动赋值函数，后续需要让该线程对象与线程函数关联时，可以使用带参的方式创建一个匿名对象，然后调用移动赋值将该匿名对象关联线程的状态转移给该线程对象，例如：

void func(int n)
{
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		cout << i << endl;
	}
}
int main()
{
	thread t1;//无参构造

	t1 = thread(func, 20);//匿名对象移动赋值

	t1.join();//线程等待
	cout << "等待成功" << endl;
	return 0;
}

无参构造使用场景：在线程池中就是首先需要先创建一批线程，但一开始这些线程什么也不做，当有任务到来时再让这些线程来处理这些任务

带参的构造函数

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

 参数：

• fn：可调用对象，比如函数指针、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

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
 

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;
}

运行结果

 

移动构造函数 

thread (thread&& x) noexcept;

 thread提供了移动构造函数，能够用一个右值线程对象来构造一个线程对象

void func(int n)
{
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		cout << i << endl;
	}
}
int main()
{
	thread t3 = thread(func, 10);

	t3.join();
	return 0;
}

注意：

• 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

还有一个要注意：获取线程id（get_id）

 调用thread的成员函数get_id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，必须要使用 this_thread::get_id()，this_thread是一个命名空间

例如：

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

	t.join();
	return 0;
}

该命名空间下有四个函数，文档介绍

线程函数参数问题 

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 

void ThreadFunc1(int x)
{
	x++;
}
int main()
{
	int a = 10;
	// 在线程函数中对a修改，不会影响外部实参
	thread t1(ThreadFunc1, a);
	t1.join();
	cout << a << endl;
	
	return 0;
}

 如果要通过线程函数的形参改变外部的实参，可以参考以下三种方式：借助std::ref函数、地址的拷贝、lambda表达式

void ThreadFunc1(int& x)
{
	x++;
}
void ThreadFunc2(int* x)
{
	*x += 10;
}
int main()
{
	int a = 10;

	// 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;
}

运行结果

 

启动一个线程后，当这个线程退出时，需要对该线程所使用的资源进行回收，否则可能会导致内存泄露等问题。hread库给我们提供了如下两种回收线程资源的方式：线程等待（join）、线程分离（detach） 

三、互斥量库（mutex）

要使用互斥量，必须包含 <mutex> 头文件，mutex文档介绍：mutex

mutex的种类 

在C++11中，Mutex总共包了四个互斥量的种类
 

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

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)

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

std::timed_mutex

特性和 std::mutex 大致相同，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

std::recursive_timed_mutex

recursive_timed_mutex就是recursive_mutex和timed_mutex的结合，recursive_timed_mutex既支持在递归函数中进行加锁操作，也支持定时尝试申请锁

加锁示例 

int ThreadProc()
{
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		g_lock.lock();//加锁
		++number;
		cout << "thread 1 :" << number << endl;
		g_lock.unlock();//解锁
	}
	return 0;
}

int main()
{
	thread t1(ThreadProc);
	thread t2(ThreadProc);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "number:" << number << endl;
	
	return 0;
}

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

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

 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。

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

模拟实现lock_guard

namespace fy
{
	template<class Mutex>
	class lock_guard
	{
	public:
		lock_guard(Mutex& mtx)
			:_mtx(mtx)
		{
			mtx.lock(); //加锁
		}
		~lock_guard()
		{
			mtx.unlock(); //解锁
		}
		lock_guard(const lock_guard&) = delete;
		lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
	private:
		Mutex& _mtx;
	};
}

 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)

四、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。

文档介绍：<atomic> - C++ Reference (cplusplus.com) 

比如：

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;
}

上述代码中分别让两个线程对同一个变量n进行了10000000次++操作，理论上最终n的值应该是20000000，但最终打印出n的值却是小于200000的

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

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;
}

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

注意：需要使用以上原子操作变量时，必须添加头文件 <atomic>

修改上面的代码，使用原子性操作

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;
}

注意： 需要用大括号对原子类型的变量进行初始化。

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

五、条件变量库（condition_variable）

condition_variable文档介绍：condition_variable - C++ Reference (cplusplus.com)

condition_variable中提供的成员函数，可分为wait系列和notify系列两类。

wait系列成员函数的作用就是让调用线程进行阻塞等待，notify系列成员函数的作用就是唤醒等待的线程

注：条件变量是配合互斥量使用的

wait函数提供了两个不同版本的接口：

 

wait: 

• 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函数时除了需要传入一个互斥锁，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

notify: 

• notify_one：唤醒等待队列中的首个线程，如果等待队列为空则什么也不做
• notify_all：唤醒等待队列中的所有线程，如果等待队列为空则什么也不做

六、实现两个线程交替打印

实现两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数

int main()
{
	int n = 100;
	mutex mtx;
	condition_variable condv;
	bool flag = true;

	//奇数
	thread t1([&] {
		int i = 1;
		while (i <= 100)
		{
			unique_lock<mutex> ul(mtx);
			condv.wait(ul, [&flag]()->bool {return flag; }); //等待条件变量满足
			cout << this_thread::get_id() << ":" << i << endl;
			i += 2;
			flag = false;
			condv.notify_one(); //唤醒条件变量下等待的一个线程
		}
		});

	//偶数
	thread t2([&] {
		int j = 2;
		while (j <= 100)
		{
			unique_lock<mutex> ul(mtx);
			condv.wait(ul, [&flag]()->bool {return !flag; }); //等待条件变量满足
			cout << this_thread::get_id() << ":" << j << endl;
			j += 2;
			flag = true;
			condv.notify_one(); //唤醒条件变量下等待的一个线程
		}
		});

	t1.join();
	t2.join();
	return 0;
}

注：线程库（thread）、互斥量库（mutex）、原子性操作库（atomic）、条件变量库（condition_variable）在Linux有类似详细解释，这里不再详细解释 

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「 作者 」 枫叶先生
「 更新 」 2023.5.22
「 声明 」 余之才疏学浅，故所撰文疏漏难免，
          或有谬误或不准确之处，敬请读者批评指正。