C++学习笔记--多线程
线程与进程优缺点对比：
多线程开销小，但难于管理，且不能用于分布式系统；
多进程开销大，操作系统会进行一部分管理，因此用户管理就比较简单，可用于分布式；
通常多线程和多进程结合使用。
参考资料：http://edu.csdn.net/course/detail/2303/35894?auto_start=1
代码实例：
1 最简单的多线程
#include 2 主线程和子线程交叉运行
#include class Factor
{
public:
void operator()()
{
for(int i = 0; i > -100; --i)
{
cout << "from t1: " << i << endl;
}
}
};
int main() //主线程
{
//std::thread t1(function_1); //使用函数创建并初始化一个线程，且线程开始运行
Factor fct;
std::thread t1(fct); //使用函数对象创建并初始化一个线程
try
{
for(int i = 0; i < 100; ++i)
{
cout << "from main: " << i << endl;
}
}
catch(...) //上面的for循环属于主线程，如果上面抛出异常，但是没有try catch，主线程终止，t1线程也终止了，这样是非线程安全的。添加try catch之后，即使主线程异常，t1线程也能正常执行结束
{
t1.join(); //主线程将等待t1线程结束后再运行
throw;
}
return 0;
} 3 主线程和子线程之间实现内存共享
#include class Factor
{
public:
void operator()(string &s)
{
cout << "from t1: " << s << endl;
s = "I love XuHuanDaXue";
}
};
int main() //主线程
{
string s("I love www.oxox.work"); //string变量s被主线程和t1线程使用，可通过s实现内存共享
Factor fct;
//std::thread t1(fct, s); //这种方式并不能在t1线程中改变s，因为s将被拷贝
std::thread t1(fct, std::ref(s)); //t1线程可改变s，因为参数是s的引用
t1.join();
cout << "from main: " << s.c_str() << endl; //主线程使用了被t1线程改变的s
return 0;
} 4 线程移动与线程ID
#include class Factor
{
public:
void operator()(string &s)
{
cout << "from t1: " << s << endl;
s = "I love XuHuanDaXue";
}
};
int main() //主线程
{
string s("I love www.oxox.work");
Factor fct;
cout << std::this_thread::get_id() << endl; //获取主线程ID，每个线程都有个ID
std::thread t1(fct, std::move(s)); //此处s被移动，移动操作比拷贝要高效，比引用要安全
std::thread t2=std::move(t1); //线程对象只能被移动，但不能被拷贝，所以必须使用std::move()
cout << t2.get_id() << endl; //获取t2线程ID
//t1.join();
t2.join(); //t1被移动到t2，t1已经是空的了，所以得使用t2.join()
cout << "from main: " << s.c_str() << endl;
cout << std::thread::hardware_concurrency() <//检测CPU能支持的最大线程数，如果用户创建的线程数超过了CPU能支持的，反而会引起性能下降
return 0;
} 5 线程安全
下面的代码是非线程安全的，主线程和t1线程将竞争资源cout，只要竞争到资源就随时可以将内容写入到输出流cout，使得输出看起来是下面这样的：
from t1: 0
from t1: -1
from t1: -2
from main: 0
from main: 1
from main: 2
from main: 3
from main: 4
from main: 5
from main: 6
from main: 7
from t1: -3
from t1: -4
from t1: -5
#include 可以加mutex锁，有线程正在使用cout，其他线程就不能使用，这样cout在当前程序中是线程安全的，能使得输出是有序的，是下面这样的：
from main: 0
from t1: 0
from main: 1
from t1: -1
from main: 2
from t1: -2
from main: 3
from t1: -3
from main: 4
from t1: -4
from main: 5
from t1: -5
#include 上面的代码中，当shared_print函数中cout那一行抛出异常时，mtx.unclock()不会被执行，mtx将被永远地锁住。这时可以使用std::lock_guard来保证mtx会被解锁。shared_print函数修改如下：
void shared_print(string s, int id)
{
std::lock_guard<std::mutex> locker(mtx); //lock_guard对象创建时会自动对mtx加锁，离开作用域被析构时，mtx会被自动解锁，这样即使cout这行发生异常，mtx也能被解锁了
cout << s.c_str() << id << endl;
}但是上面的代码仍然不是安全的，因为cout是个全局变量，并没有完全在mtx的保护下，其他线程仍然可以在不加锁的情况下使用cout。为了完整地保护资源，必须使资源和互斥对象进行绑定。代码如下：
#include 上面的代码将资源std::ofstream f和互斥对象std::mutex m_mutex定义在LogFile类中，类外的线程不可访问资源f，使用类对象的shared_print函数的线程也能保证资源f必定有一个互斥对象m_mutex来保护。简单地讲，就是资源和互斥对象必定成对地出现在同一个作用域中，因此资源一定会受互斥对象保护。注意，这里的代码使用了资源std::ofstream f，而不是cout，是因为cout是全局的资源。
6 避免死锁
死锁是指两个线程互相锁住，互相等待释放，却不能释放，下面的代码发生了死锁，程序的输出可能是这样的（程序被暂停在某处，并没有成功执行完毕）：
from t1: 0
from main: 0
from t1: -1
from main: 1
#include 上面的代码中，m_mutex和m_mutex2在两个线程中加锁的顺序是相反的，如果将语句的顺序改成一致就不会发生死锁。在C++标准库中提供了std::lock，是规范的处理死锁问题的方法，把上面的两个函数改成下面这样：
void shared_print(string s, int id) //函数被t1线程调用
{
std::lock(m_mutex, m_mutex2); //std::lock可以指定锁的顺序，参数为lock1,lock2,...,lockn，它的参数个数是不固定的，有多少个锁就可以使用多少个参数
std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex, std::adopt_lock); //这里添加std::adopt_lock是告知locker，m_mutex已经被锁住，locker要做的只是获得m_mutex的所有权，然后在析构时将其解锁即可
std::lock_guard<std::mutex> locker2(m_mutex2, std::adopt_lock);
cout << s << id << endl; //为了更直观得看到结果，这里改成cout
}
void shared_print2(string s, int id) //函数被主线程调用
{
std::lock(m_mutex, m_mutex2);
std::lock_guard<std::mutex> locker2(m_mutex2, std::adopt_lock);
std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex, std::adopt_lock);
cout << s << id << endl; //为了更直观得看到结果，这里改成cout
}上面的代码中，即使locker和locker2的顺序是相反的，但是m_mutex和m_mutex2加锁的顺序是相同的，因为std::lock指定了加锁的顺序。
为了避免程序设计中出现死锁，可以遵循以下几条规则：
（1）使用一个mutex即可满足要求的场合，绝不使用两个mutex；
（2）如果某个作用域中已经使用了一个mutex，那么要小心该作用域中的函数调用，因为该函数调用中可能包括其他mutex；
（3）无法避免地需要使用两个以上mutex时，尽量使用std::lock指定锁的顺序，但是在某些极端情况下std::lock无法使用，就要小心地保证加锁的语句顺序。
7 Unique Lock和call_once
#include locker(m_mutex); //lock_guard对象在构造时自动m_mutex加锁，在析构时自动对m_mutex解锁，用户无法自由控制何时加锁解锁
//std::unique_lock locker(m_mutex); //unique_lock可以起到与lock_guard一样的功能，默认情况下是构造自动加锁，析构自动解锁
std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex, std::defer_lock); //还可以使用defer_lock告知locker，不要在构造时自动加锁m_mutex
locker.lock(); //然后用户自行给m_mutex加锁
f << s << id << endl;
locker.unlock(); //还可以在需要的时候自行解锁，这样m_mutex只锁住了上面一行语句，之后的操作就没有被m_mutex锁住
//代码块...
locker.lock(); //接下来还可以随意地自行加锁和解锁
//代码块...
locker.unlock();
//lock_guard和unique_lock都不能被复制，但是unique_lock可被移动。当unique_lock被移动时，m_mutex的控制权也从一个unique_lock转移到另一个unique_lock。另外，unique_lock的代价比lock_guard高，所以使用lock_guard即可满足要求的场合就使用lock_guard
//std::unique_lock locker2 = std::move(locker);
}
private:
std::mutex m_mutex;
std::ofstream f;
}；
void function_1(LogFile& log)
{
for(int i = 0; i > -100; --i)
{
log.shared_print("from t1: ",i);
}
}
int main() //主线程
{
LogFile log;
std::thread t1(function_1, std::ref(log));
for(int i = 0; i < 100; ++i)
{
log.shared_print("from main: ",i);
}
t1.join(); //主线程将等待t1线程结束后再运行
return 0;
}上面使用的所有示例代码中，LogFile类都是在构建函数中打开log.txt文件，如果我们想只在调用shared_print函数的时候才打开文件，可以做如下修改：
class LogFile
{
public:
LogFile()
{
//f.open("log.txt")；
}
void shared_print(string s, int id)
{
//if(!f.is_open()) //这段代码不是线程安全的，因为两个线程可能同时执行到f.open处，两次打开文件，将会运行报错
//{
// f.open("log.txt")；
//}
//if(!f.is_open()) //这段代码仍然不是线程安全的，假设a线程尚未执行完f.open，b线程正好检测到文件未打开，然后发现m_mutex_fopen被锁住，于是等待，接着a线程打开了文件，解锁m_mutex_fopen，此时b线程发现解锁了，立即执行f.open，这样就两次打开文件，将会运行报错
//{
// std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex_fopen, std::defer_lock);
// f.open("log.txt")；
//}
//{ //这段代码是线程安全的，但是这存在一个性能上的问题，即每次函数调用都要对m_mutex_fopen进行加锁和解锁，这会无意义地消耗计算机资源
// std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex_fopen, std::defer_lock);
// if(!f.is_open()) f.open("log.txt")；
//}
std::call_once(m_flag, [&](){f.open("log.txt")}) //这行代码能确保后面的lambda函数只被一个线程调用一次，是C++标准库的推荐用法
std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex, std::defer_lock);
f << s << id << endl;
}
private:
std::mutex m_mutex;
std::mutex m_mutex_fopen;
std::once_flag m_flag;
std::ofstream f;
}；8 条件变量
条件变量适用于a线程需要等待b线程触发某种条件，a线程才能执行的场合
#include locker(mu);
q.push_front(count);
locker.unlock();
cond.notify_one(); //激活条件变量cond
cond.notify_all(); //notify_one只能激活一个正在等待cond被激活的线程
//notify_all可以激活所有正在等待cond被激活的线程
std::this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
count--;
}
}
void function_2()
{
int data = 0;
while (data != 1)
{
std::unique_lock locker(mu);
/*if (!q.empty())
{
data = q.back();
q.pop_back();
locker.unlock();
cout << "t2 got a value from t1: " << data << endl;
}
else //当q为空时，一直在执行while循环，不断查询，直到q非空，这样是很低效的，应该使用条件变量
{
locker.unlock();
}*/
//等待线程1调用notify_one()激活条件变量bond，只有cond被激活，才可以
//执行后面的语句。此处locker作为参数传递给wait之前已经加锁了，一个
//线程不会在锁住的情况下休眠，所以wait()先将mu解锁，使其休眠，然后
//又加锁。由于需要重复加解锁，所以此处得用unique_lock，而不能使用
//lock_guard
//某些情况下，线程可能被自己激活，这称为伪激活，给条件变量添加一个
//lambda函数作为增加的一个条件，满足条件才可以被激活
cond.wait(locker, [](){return !q.empty(); });
data = q.back();
q.pop_back();
locker.unlock();
cout << "t2 got a value from t1: " << data << endl;
}
}
int main()
{
std::thread t1(function_1);
std::thread t2(function_2);
t1.join();
t2.join();
return 0;
} 9 Future, Promise和async()
std::future类可以从子线程获取返回值，然后在父线程中使用
#include fu = std::async(factorial, 4);
std::future<int> fu = std::async(std::launch::async | std::launch::deferred, factorial, 4);
x = fu.get(); //get将会等待子线程结束，并取回子线程返回的结果，get只能被调用一次，调用两次程序会运行报错
return 0;
}std::promise可以从父线程获取值到子线程中使用
#include 如果需要创建多个都调用factorial线程，每个线程都需要一个f参数，但是std::future不能被拷贝，此时可以使用std::shared_future，它可以被拷贝，可将int factorial(std::future& f)改为int factorial(std::shared_future f)，同时main函数做如下修改：
int main()
{
int x;
std::promise10 创建线程的不同方式
#include 11 Packaged_task
#include fu = std::async(factorial, 4);
x = fu.get();
std::packaged_task<int(int)> t(factorial); //以一个可调用对象为参数，并且可以异步获取该调用对象的返回结果
std::future<int> ret = t.get_future(); //获得与packaged_task共享状态相关联的future对象
int value = ret.get(); //等待任务完成并获取结果
}12 时间约束
可以让某个类对象休眠一段时间，或者到达指定的时间点才停止休眠
#include ::mutex> locker(mu);
locker.try_lock_for(chrono::milliseconds(3));
locker.try_lock_until(tp);
std::condition_variable cond;
cond.wait_for(locker, chrono::milliseconds(3));
cond.wait_until(locker, tp);
std::promise