理解c++多线程编程

多线程编程

• 工欲善其事必先利其器CLion安装mingw并配置以支持c++11多线程编程
• 本篇博文不是主要介绍互斥锁之类的，是理解线程的执行，以便以后有把握的写多线程程序。

#include
#include
#include 
std::mutex mutex;
void fun1()
{
	for (int i = 0; i <5 ; ++i) {
       std::cout<<"\n";
   }
}
void fun2(){
     for (int i = 0; i < 5; ++i) {
         std::cout<<"\n";
     }
}

int main()
{
    std::thread th(fun1);
    std::thread t2(fun2);
    th.join();
    t2.join();
    return 0;
}

• 结果：

按照我们的想象，坑定是先打印很多，再打印
然而，你会发现每次运行结果都不一样，而且与交替输出。
这是为什么呢？以前学过操作系统，知道线程会竞争资源，我们这里可以把cout输出看作是一种资源，他们都要输出一段字符串，那么必定要竞争输出资源，每次谁得到这个资源，就打印自己的输出，所以就会得到这种输出现象。

• 怎么解决这种问题？--------加锁

操作系统学过，防止资源竞争造成的死锁，一般可以通过加互斥锁避免。

#include
#include
#include 
std::mutex mutex;
void fun1()
{
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
        for (int i = 0; i <5 ; ++i) {
            std::cout<<"\n";
        }
    }
}
void fun2(){

    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            std::cout<<"\n";
        }
    }
}

int main()
{
    std::thread th(fun1);
    std::thread t2(fun2);
    th.join();
    t2.join();
    return 0;
}

• 这样结果就和我们一开始的期望一样了。

进一步思考

• 加锁也只是针对加锁的那一个作用域，如果，我们在作用域外，再添加打印任务，会这么输出？如何解释这种现象？

#include
#include
#include 
std::mutex mutex;
void fun1()
{
    {//代码块1
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
        for (int i = 0; i <5 ; ++i) {
            std::cout<<"\n";
        }
    }

    for (int i = 0; i <5 ; ++i) {//代码块2
        std::cout<<"\n";
    }

}
void fun2(){

    {//代码块3
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            std::cout<<"\n";
        }
    }
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {//代码块4
        std::cout<<"\n";
    }

}

int main()
{
    std::thread th(fun1);
    std::thread t2(fun2);
    th.join();
    t2.join();
    return 0;
}

• 先猜一下，代码块1和3加锁了，所以输出完5个才会输出
• 结果如下：

• 1.可以看到我们的预期是对的。
• 2.从结果来看与交替输出，最后输出（这点有问题，马上解释为什么）
• 那为什么会这样呢？
• 解释：

1）当创建好了2个线程th和t2，它们准备开始执行函数。
2）它们都进入函数体发现代码块1和代码块3加了互斥锁，那这样的话只能让代码块1执行完，然后释放锁，代码块3才能获得锁，它才能开始执行。所以我们预期的结果就产生了。
3）但是当代码块1执行完了，代码块2并没有加锁，这时它就和代码块3与代码4形成了竞争关系，所以会产生与交替输出的现象，理论上也可能产生与交替输出（所以最后输出也可能是与交替输出）。
4）但是函数执行是顺序的，也就是说代码块2一定在代码块1后执行、代码块4一定在代码块3前执行，也就是说不可能出现在前输出、不可能出现在之前。

• 改一下代码验证一下。

#include
#include
#include 
std::mutex mutex;
void fun1()
{
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
        for (int i = 0; i <5 ; ++i) {
            std::cout<<"\n";
        }
    }

    for (int i = 0; i <10 ; ++i) {
        std::cout<<"\n";
    }

}
void fun2(){

    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            std::cout<<"\n";
        }
    }
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout<<"\n";
    }

}

int main()
{
    std::thread th(fun1);
    std::thread t2(fun2);
    th.join();
    t2.join();
    return 0;
}

• 结果：

• 跟我前面的分析完全一致~
• 那么有趣的来了，更联系实际。

#include
#include
#include 
std::mutex mutex;
void fun1()
{
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
        for (int i = 0; i <5 ; ++i) {
            std::cout<<"\n";
        }
    }

    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
    for (int i = 0; i <5 ; ++i) {
        std::cout<<"\n";
    }

}
void fun2(){

    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            std::cout<<"\n";
        }
    }
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout<<"\n";
    }

}

int main()
{
    std::thread th(fun1);
    std::thread t2(fun2);
    th.join();
    t2.join();
    return 0;
}

• 先上一个运行多次才能运行出来的结果：

• 这个解释和上面一样，不一样的是线程t2先获得了锁（后来居上？啊哈），这样看来上面的例子，也可能是线程t2先获得锁了。em…不过解释还是一样，对偶原理~
• 另一种多数结果：

• 这个结果我一开始是有疑问的，运行了很多遍，只要线程th先抢到锁，就是这个结果。这个没问题，疑问在于当代码块1执行完后，锁自动释放，但是每次线程t2都抢不到互斥锁，也就是说执行完代码块1，代码块2抢到锁的可能性比线程t2大的多。为什么？

1）在访问共享资源时，首先申请互斥锁，如果该互斥处于开锁状态，则申请到该锁对象，并立即上锁，防止其他线程访问该资源。如果互斥锁处于锁定状态，默认阻塞当前进程。
2）阻塞（pend）就是任务释放CPU，其他任务可以运行，一般在等待某种资源或信号量的时候出现。

• 从上面可知，当线程th抢到锁的时候t2被阻塞了，cpu资源释放，t2要执行还要被唤醒机制唤醒，转到就绪状态，然后去排队，等待执行。对比之下，当线程th获得锁，代码块1执行完，线程th还在执行状态，这时候又一次去获得互斥锁，不需要被唤醒，直接就可以获得互斥锁，所以一定是代码块2获得互斥锁，而不是线程t2，当代码块2执行完，线程th执行完毕，释放锁，线程t2被唤醒，先执行完代码块3，在执行代码块4.

小结

• 理解了上面的结果，对线程的工作及操作系统部分了解更深了。
• 深入的理解了这个线程的工作机制，也涉及了函数的执行顺序，互斥锁的理解，这样对以后写多线程程序相信会有很大的好处。