C++11线程使用总结

 std::thread 在 头文件中声明，因此使用 std::thread 需包含 头文件。

头文件摘要
头文件声明了 std::thread 线程类及 std::swap (交换两个线程对象)辅助函数。另外命名空间 std::this_thread 也声明在 头文件中。下面是 C++11 标准所定义的 头文件摘要：

参见 N3242=11-0012 草案第 30.3 节 Threads(p1133)。

amespace std {
    #define __STDCPP_THREADS__ __cplusplus
    class thread;
    void swap(thread& x, thread& y);
    namespace this_thread {
        thread::id get_id();
        void yield();
        template 
        void sleep_until(const chrono::time_point& abs_time);
        template 
        void sleep_for(const chrono::duration& rel_time);
    }        

}

头文件主要声明了 std::thread 类，另外在 std::this_thread 命名空间中声明了get_id，yield，sleep_until 以及 sleep_for 等辅助函数，本章稍微会详细介绍 std::thread 类及相关函数。

std::thread 类摘要

std::thread 代表了一个线程对象，C++11 标准声明如下：

namespace std {
    class thread {
        public:
            // 类型声明:
            class id;
            typedef implementation-defined native_handle_type;

            // 构造函数、拷贝构造函数和析构函数声明:
            thread() noexcept;
            template  explicit thread(F&& f, Args&&... args);
            ~thread();
            thread(const thread&) = delete;
            thread(thread&&) noexcept;
            thread& operator=(const thread&) = delete;
            thread& operator=(thread&&) noexcept;

            // 成员函数声明:
            void swap(thread&) noexcept;
            bool joinable() const noexcept;
            void join();
            void detach();
            id get_id() const noexcept;
            native_handle_type native_handle();

            // 静态成员函数声明:
            static unsigned hardware_concurrency() noexcept;
    };
}

std::thread 中主要声明三类函数：(1). 构造函数、拷贝构造函数及析构函数；(2). 成员函数；(3). 静态成员函数。另外，std::thread::id 表示线程 ID，同时 C++11 声明如下：

namespace std {
    class thread::id {
        public:
            id() noexcept;
    };

    bool operator==(thread::id x, thread::id y) noexcept;
    bool operator!=(thread::id x, thread::id y) noexcept;
    bool operator<(thread::id x, thread::id y) noexcept;
    bool operator<=(thread::id x, thread::id y) noexcept;
    bool operator>(thread::id x, thread::id y) noexcept;
    bool operator>=(thread::id x, thread::id y) noexcept;

    template
    basic_ostream&
        operator<< (basic_ostream& out, thread::id id);


    // Hash 支持
    template  struct hash;
    template <> struct hash;
}

std::thread 详解
std::thread 构造和赋值
std::thread 构造函数
默认构造函数 (1) thread() noexcept;
初始化构造函数 (2) template
explicit thread(Fn&& fn, Args&&... args);
拷贝构造函数 [deleted] (3) thread(const thread&) = delete;
Move 构造函数 (4) thread(thread&& x) noexcept;
默认构造函数(1)，创建一个空的 std::thread 执行对象。
初始化构造函数(2)，创建一个 std::thread 对象，该 std::thread 对象可被 joinable，新产生的线程会调用 fn 函数，该函数的参数由 args 给出。
拷贝构造函数(被禁用)(3)，意味着 std::thread 对象不可拷贝构造。
Move 构造函数(4)，move 构造函数(move 语义是 C++11 新出现的概念，详见附录)，调用成功之后 x 不代表任何std::thread 执行对象。

线程状态:

       在一个线程的生存期内，可以在多种状态之间转换，不同的操作系统可以实现不同的线程模型，定义许多不同的线程状态，每个状态还可以包含多个子状态，但大体来说，如下几种状态是通用的：
1）就绪：参与调度，等待被执行，一旦被调度选中，立即开始执行
2）运行：占用CPU，正在运行中
3）休眠：暂不参与调度，等待特定事件发生

4）中止：已经运行完毕，等待回收线程资源

线程环境:
线程存在于进程之中，进程内所有全局资源对于内部每个线程都是可见的。
进程内典型全局资源如下：
1）代码区：这意味着当前进程空间内所有的可见的函数代码，对于每个线程来说，也是可见的
2）静态存储区：全局变量，静态空间
3）动态存储区：堆空间
线程内典型的局部资源：
1）本地栈空间：存放本线程的函数调用栈，函数内部的局部变量等
2）部分寄存器变量：线程下一步要执行代码的指针偏移量

        C++中的thread对象通常来说表达了执行的线程（thread of execution）。我在使用多线程的时候，发现很多情况下都是用join()函数，但是在使用detach的时候效果明显就是不一样了。

       当thread::join()函数被调用后，调用它的线程会被block，join的作用是让主线程等待直到线程的执行被完成。基本上，这是一种可以用来知道一个线程已结束的机制。main是等待子线程结束才继续执行。当thread::join()返回时，OS的执行的线程已经完成，C++线程对象可以被销毁。

       当thread::detach()函数被调用后，执行的线程从线程对象中被分离，该线程被从主线程分离出去放置到后台执行。已不再被一个线程对象所表达--这是两个独立的事情。C++线程对象可以被销毁，同时OS执行的线程可以继续。如果程序想要知道执行的线程何时结束，就需要一些其它的机制。join()函数在那个thread对象上不能再被调用，因为它已经不再和一个执行的线程相关联。没有thread对象指向该线程而失去了对它的控制，当对象析构时线程会继续在后台执行，但是当主程序退出时并不能保证线程能执行完。如果没有良好的控制机制或者这种后台线程比较重要，最好不用detach而应该使用join。

去销毁一个仍然可以“joinable”的C++线程对象会被认为是一种错误。为了销毁一个C++线程对象，约么join()函数需要被调用（并结束），要么detach()函数被调用。如果一个C++线程对象当销毁时仍然可以被join，异常会被抛出。

mutex:

mutex是用来保证线程同步的，防止不同的线程同时操作同一个共享数据。

示例代码：

int cnt= 20;
mutex m;
void t1()
{
    while (cnt > 0)
    {    
        m.lock();
        
        if (cnt > 0)
        {
            --cnt;
            cout << cnt << endl;
        }

        m.unlock();
    }
}
void t2()
{
    while (cnt > 0)
    {
        m.lock();
        
        if (cnt > 0)
        {
            --cnt;
            cout << cnt << endl;
        }

        m.unlock();
    }
}
int main()
{
    
    thread th1(t1);
    thread th2(t2);
    
    th1.join();
    th2.join();

    return 0;
}

        运行结果，cnt是依次递减的，没有因为多线程而打乱次序：

lock_guard：

使用lock_guard则相对安全，它是基于作用域的，能够自解锁，当该对象创建时，它会像m.lock()一样获得互斥锁，当生命周期结束时，它会自动析构(unlock)，不会因为某个线程异常退出而影响其他线程。

int cnt = 20;
mutex m;
void t1()
{
    while (cnt > 0)
    {    
        lock_guard lockGuard(m);
        if (cnt > 0)
        {
            --cnt;
            cout << cnt << endl;
        }
        
    }
}
void t2()
{
    while (cnt > 0)
    {
        lock_guard lockGuard(m);
        if (cnt > 0)
        {
            --cnt;
            cout << cnt << endl;
        }
    
    }
}

get_id:

获取线程 ID，返回一个类型为 std::thread::id 的对象

示例如下：

#include 
#include 
#include 

void foo()
{
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}

int main()
{
    std::thread t1(foo);
    std::thread::id t1_id = t1.get_id();

    std::thread t2(foo);
    std::thread::id t2_id = t2.get_id();

    std::cout << "t1‘s id: " << t1_id << ‘\n‘;
    std::cout << "t2‘s id: " << t2_id << ‘\n‘;

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

sleep_until: 

        线程休眠至某个指定的时刻(time point)，该线程才被重新唤醒。

template< class Clock, class Duration >
void sleep_until( const std::chrono::time_point& sleep_time );

sleep_for: 

     线程休眠某个指定的时间片(time span)，该线程才被重新唤醒，不过由于线程调度等原因，实际休眠时间可能比sleep_duration 所表示的时间片更长。

template< class Rep, class Period >
void sleep_for( const std::chrono::duration& sleep_duration );

#include 
#include 
#include 

int main()
{
    std::cout << "waiter" << std::endl;
    std::chrono::milliseconds dura( 1000 );
    std::this_thread::sleep_for( dura );
    std::cout << "Waited 1000 ms\n";
}