详解C++11中的线程库

一、线程库的介绍

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。

特点：跨平台、面向对象封装的类（每个线程是个类对象）。

其实现原理是封装库时使用了条件编译，也就是说他的底层还是分别调用了不同平台的线程API。

1.1. 使用时的注意点

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

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;//0
 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;

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，转移期间不意向线程的执行

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(没有提供线程函数，即这个线程本身就是无效的)
• 线程对象的状态已经转移给其他线程对象(资源被转移)
• 线程已经调用jion或者detach结束(线程已结束，或者已经分离)

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，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

1.3. join与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？thread库给我们两种选择：

join()方式
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。
采用jion()方式结束线程时，jion()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，RAII ：利用对象声明周期来管理线程资源，保证线程资源正常销毁，资源获取立即初始化，在构造函数中初始化资源，在析构函数中销毁资源。 比如：

#include <thread>
class mythread
{
public:
 explicit mythread(std::thread &t) :m_t(t){}
 ~mythread()
 {
 if (m_t.joinable())//判断线程是否还在
 m_t.join();
 }
 mythread(mythread const&)=delete;
 mythread& operator=(const mythread &)=delete;
private:
 std::thread &m_t;
};
void ThreadFunc() { cout << "ThreadFunc()" << endl; }
bool DoSomething() { return false; }
int main()
{
 thread t(ThreadFunc);
 mythread q(t);
 if (DoSomething())
 return -1;
 return 0; 
}

detach()方式
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。

注意：线程对象销毁前，要么以jion()的方式等待线程结束，要么以detach()的方式将线程与线程对象分离。

二、原子性操作库

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。

2.1. atomic

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：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<thread>
#include<atomic>
atomic<int>x = 0;
void Add(int n)
{

	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		x++;
	}
}
int main()
	thread t1(Add, 10000);
	thread t2(Add, 10000);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << x << endl;//20000
	return 0;

2.2. 锁

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。

1.lock、unlock:

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(同一线程，不可以连续调用两次锁)。

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(非阻塞式)。
• 如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁。

2.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，recursive_mutex 的特性和mutex 大致相同。

3.timed_mutex:
比 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。

int sum = 0;

timed_mutex Lock;
chrono::milliseconds timeout(100);//100毫秒
void func(int number)
{
	for (int i = 0; i < number; i++)
	{
		
		//Lock.try_lock_for(timeout);//接收一个时间范围
		Lock.try_lock_until(chrono::steady_clock::now() + timeout);//接收一个时间点
		sum++;
		Lock.unlock();
	}
}

4.recursive_timed_mutex
是recursive_mutex、timed_mutex两种锁的结合。

5.lock_guard(守卫锁):
加锁和解锁的过程，通过类的构造和析构来自动控制加锁和释放锁(RAII思想)

template<class _Mutex>
class lock_guard
{
public:

	// 构造函数加锁
	explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx)
		: _MyMutex(_Mtx)
	{
		_MyMutex.lock();
	}
	//通过析构函数释放锁
	~lock_guard() _NOEXCEPT
		_MyMutex.unlock();
	//防拷贝和防赋值
	lock_guard(const lock_guard&) = delete;
	lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
	_Mutex& _MyMutex;
};

int sum = 0;
mutex Lock;
void func(int number)
{
	for (int i = 0; i < number; i++)
	{
		lock_guard<mutex> lg(Lock);
		sum++;
	}
}

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。

6.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)。

三、使用lambda表达式创建多个线程

#include<iostream>
#include<thread>
#include<atomic>
#include<vector>
using namespace std;
int main()
{

	atomic<int>x = 0;
	//m个线程对x加n次
	int m, n;
	cin >> m >> n;
	vector<thread>vthreads;
	for (int i = 0; i < m; i++)
	{
		vthreads.push_back(thread([&x](int count) {
			for (int i = 0; i < count; i++)
			{
				x++;
			}
			}, n));
	}
	for (auto& t : vthreads)
		cout << t.get_id() <<".join()" << endl;
		t.join();
	cout << x << endl;
	return 0;
}

四、条件变量

需要注意的是，传入wait的锁不能是lock_guard，这是因为lock_guard没有解锁接口

唤醒：

Notify one -> 唤醒一个
notify_all -> 唤醒一批

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

int main()
{
	int n = 20;
	mutex mtx1,mtx2;
	unique_lock<mutex> t;
	condition_variable cv1,cv2;
	//使用两个线程打印0-n的数，一个打印奇数，一个打印偶数
	thread t1([&]() 
		{
			for (int i = 0; i < n; i+=2)
			{
			
				cout << this_thread::get_id() << ":" << i << endl;
				cv2.notify_one();//打印偶数以后通知t2
				unique_lock<mutex> lock(mtx1);
				cv1.wait(lock);
			}
		});
	thread t2([&]() 
		{
			for (int i = 1; i < n; i+=2)
			{
				unique_lock<mutex> lock(mtx2);
				cv2.wait(lock);
				cout << this_thread::get_id() << ":" << i << endl;
				cv1.notify_one();//t2打印奇数以后，通知t1
			}
		});
	t1.join();
	t2.join();
	return 0;
}

到此这篇关于详解C++11中的线程库的文章就介绍到这了,更多相关C++11线程库内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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