c++11并发库之线程同步

• 主要内容
  • 条件变量
  • future
  • async/packeged_task/promise
  • shared_future

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条件变量

std::mutex _mutex;
std::condition_variable _cv;
std::deque _data;

void thread_process_data()
{
    while(1){
        std::unique_lock lk(_mutex);
        _cv.wait(lk, [](){return !_data.empty();});
        std::string str = _data.front();
        _data.pop();
        lk.unlock();
        do_something(str);
    }
}

void thread_produce_data()
{
    while(1){
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
        {
            std::lock_guard lk(_mutex);
            _data.push("hello cv");
        }
        _cv.notify_one();
    }  
}

等待条件的线程处理流程：

• 获取一个std::unique_lock用来保护共享变量
• 执行wait(wait_for或wait_until)，这些函数的调用将以原子方式释放互斥锁并暂停线程执行
  • 在释放互斥锁之前，这里会第一次检查lambda返回值；
  • 如果条件真，则线程从wait返回并继续执行；
  • 如果条件假，则线程阻塞并同时释放互斥锁；
• 当条件变量被通知、超时过期或出现虚假唤醒时线程被唤醒，互斥锁被原子地重新获取。然后，如果唤醒是假的，线程应该检查条件并继续等待。
  • 唤醒时重新获取互斥锁
  • 再次检查lambda返回值
  • 如果条件真，则线程继续执行；
  • 如果条件假，则线程阻塞并同时释放互斥锁；

使用std::unique_lock而不是std::lock_guard原因有二：

1、等待的线程必须在等待时解锁互斥锁，并在等待之后再次锁定它，而std::lock_guard不提供这种灵活性.

2、wait()的第一个参数要求的就是std::unique_lock的引用。

唤醒等待条件的线程：

• 获取std::lock_gurad
• 执行修改
• 执行notify_one或notify_all通知条件发生，等待条件的线程将被唤醒(通知不需要持有锁)

condition variable适用于某个事件会反复的发生的情景，在某些情景下线程只想等待一次事件为真，之后它将永远不会再等待这个事件发生。

future

async与future

async相比thread的不同：

• std::thread是一个类模板，而std::async只是一个函数模板
• std::async返回std::future对象，让异步操作创建者访问异步结果.
• 调用std::thread总启动一个新线程，且在新线程中立即执行f
• 调用std::async不一定会启动一个新线程，并且可以决定是否立即执行f、延迟执行、不执行

async的policy参数

• 设置为launch::async, 将在新线程中立即执行f
• 设置为launch::deferred，async的f将延期执行直到future对象被查询(get/wait)，并且f将会在查询future对象的线程中执行，这个线程甚至不一定是调用async的线程；如果future对象从未被查询，f将永远不会执行。
• 设置为launch::deferred |std::launch::async,与实现有关，可能立即异步执行，也可能延迟执行。
• launch::deferred和std::launch::async都没设置，C++14中为未定义

packaged_task与future

• 类模板std::packaged_task包装任何Callable(函数、lambda、bind表达式或其他函数对象)。
• 与std::function不同的是，std::packaged_task提供了std::future.
• 其威力在于只要能够访问std::future，无论std::packaged_task作为对象被传输到哪个线程中执行，都可以通过std::future获取其结果。
• 实例化的std::packaged_task本身也是一个Callable。它可以包装在std::function对象中，也可以作为线程函数传递给std::thread，或者传递给另一个需要Callable的函数，甚至可以被直接调用。
• std::packaged_task可以用作线程池或者任务队列的构建块，作为“消息”在线程之间传递。

包装lambda

void task_lambda()
{
    std::packaged_task task([](int a, int b) {
        return std::pow(a, b); 
    });
    std::future result = task.get_future();
    //在当前线程执行std::pow(2,9)
    task(2, 9);
    std::cout << "task_lambda:\t" << result.get() << '\n';
}

包装bind

int f(int x, int y) { return std::pow(x,y); }
void task_bind()
{
    std::packaged_task task(bind(f,1,2));
    std::future result = task.get_future();
    //在当前线程执行std::pow(2,9)
    task(2, 9);
    std::cout << "task_bind:\t" << result.get() << '\n';
}

作为线程函数

int f(int x, int y) { return std::pow(x,y); }
void task_thread()
{
    std::packaged_task task(f);
    std::future result = task.get_future();
    //在新线程执行std::pow(2,9)
    std::thread t(std::move(task), 2, 9);
    std::cout << "task_thread:\t" << result.get() << '\n';
}

等同于：

void equal_to_task_thread()
{
    std::future result = std::async(std::launch::async, f, 2, 9);
    std::cout << "equal_to_async:\t" << result.get() << '\n';
}

promise与future

std::promise提供了一种设置值(类型为T)的方法，稍后可以通过关联的std::future对象读取该值。配对使用future和promise，等待结果的线程可能会阻塞在future::wait()或者future::get()，而提供数据的线程可以使用配对的promise来设置相关的值并使future就绪。

一般的范式是：

• 想要获取结果类型为T的线程构造std::promise< T >，并通过promise::get_future获取future对象

• 将promise作为参数传递给新的线程函数，在新的线程函数中通过promise::set_value设置结果

• 等待的线程通过future::wait等待结果诞生，通过future::get获取结果。

  void do_work(arg, std::promise promise_arg)
  {
      do_something();
      promise_arg.set_value(T);  
  }
    
  int main()
  {
      //使用promise在线程之间传递结果
      std::promise one_promise;
      //构造future对象
      std::future one_future = one_promise.get_future();
      //promise作为参数传递给新的线程函数
      std::thread work_thread(do_work, some_arg, std::move(one_promise));
      //等待结果
      one_future.wait();  
      //获取结果
      std::cout << "result=" << one_future.get() << '\n';
      work_thread.join();  
  }
  

• promise不可拷贝，不能直接将one_promise作为参数传递给新的线程函数。

异常与future

• 当使用std::async、std::packeged_task时，如果线程函数函数、被包装的函数抛出异常，与future关联的数据中将 储存异常 而非结果。

• 对于std::promise有点不一样，如果想存储异常而非正常的结果，使用set_exception()替代set_value。

  extern std::promise some_promise;
  
  try
  {
    some_promise.set_value(calculate_value());
  }
  catch(...)
  {
      //1使用current_exception提取calculate_value()中抛出的异常
      //2使用set_exception()储存异常
    some_promise.set_exception(std::current_exception());
      //或者
      //some_promise.set_exception(std::copy_exception(std::logic_error("foo ")));
  }
  

• 当异常被储存，future将就绪，通过调用future::get()将重新抛出存储的异常。

• 待续

std::shared_future

• std::future处理了线程之间传输数据所需的所有同步，但是对std::future特定实例的成员函数调用不是线程安全的——本身如果从多个线程访问单个std::future对象而不进行额外的同步，那么将面临数据竞争和未定义的行为。

  std::future 模型对异步结果有唯一所有权，只有一个线程可以提取到异步结果(通过get)，在第一次调用get()之后，就已经没有要提取的值了。

• std::shared_future可以让多个线程可以等待相同的事件

  std::future是可以moveable，对异步结果的唯一所有权可以在future实例之间转移（通过移动构造语义），但是每次只有一个实例引用特定的异步结果。但是std::shared_future实例是copyable，所以可以有多个shared_future对象引用相同的关联状态.

• 单个shared_future对象上的成员函数仍然不同步，从多个线程访问单个对象时，为了避免数据冲突，必须使用锁来保护访问

  使用它的首选方法是获取对象的副本，并让每个线程访问自己的副本。如果每个线程通过自己的std::shared_future对象访问共享异步状态，那么从多个线程访问该状态是安全的。

• 通过future实例构造shared_future实例，必须转移所有权的方式进行

  std::promise p;
  std::future f = p.get_future();
  
  //构造shared_future方式一：
  std::shared_future sf(f);               //error
  std::shared_future sf(std::move(f));    //move触发移动构造
  //方式二：
  std::shared_future sf = f.share();
  //方式三：
  std::shared_future sf(std::move(p.get_future()));
  
  assert(!f.valid());
  assert(sf.valid());