C++线程与智能指针

C++线程与智能指针

[TOC]

线程

线程，有时被称为轻量进程，是程序执行的最小单元。

C++11线程

#include 

void task(int i) {
    cout << "task:" << i << endl;
}

thread t1(task,100);
//等待线程结束再继续执行
t1.join();

POSIX线程

POSIX 可移植操作系统接口，标准定义了操作系统应该为应用程序提供的接口标准

Windows上使用 配置： 下载

cmake_minimum_required (VERSION 3.8)
include_directories("XXX/pthreads-w32-2-9-1-release/Pre-built.2/include")
#设置变量为x64 or x86
if(CMAKE_CL_64)
    set(platform x64)
else()
    set(platform x86)
endif()
link_directories("XXX/pthreads-w32-2-9-1-release/Pre-built.2/lib/${platform}")
#如果出现 “timespec”:“struct” 类型重定义 设置
set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -DHAVE_STRUCT_TIMESPEC")#这里的 -D 就是define
# 将源添加到此项目的可执行文件。
add_executable (example "example.cpp" "example.h")
target_link_libraries(example pthreadVC2)

32位拷贝pthreadVC2.dll 到windows/syswow64目录

64位拷贝pthreadVC2.dll 到windows/system32目录

创建线程

#include 
pthread_create (thread, attr, start_routine, arg) 

参数	描述
thread	指向线程标识符指针。
attr	一个不透明的属性对象，可以被用来设置线程属性。您可以指定线程属性对象，也可以使用默认值 NULL。
start_routine	线程运行函数起始地址，一旦线程被创建就会执行。
arg	运行函数的参数。它必须通过把引用作为指针强制转换为 void 类型进行传递。如果没有传递参数，则使用 NULL。

创建线程成功时，函数返回 0，若返回值不为 0 则说明创建线程失败。

终止线程

使用下面的程序，我们可以用它来终止一个 POSIX 线程：

#include 
pthread_exit (status) 

实例

#include 
void *pthreadTask(void* args) {
    int* i = static_cast(args);
    cout << "posix线程:" << *i << endl;
    return 0;
}

pthread_t pid;
int pi = 100;
pthread_create(&pid, 0, pthreadTask, &pi);
//等待线程的结束
pthread_join(pid,0);

线程属性

线程具有属性，用 pthread_attr_t 表示

pthread_attr_t attr;
//初始化 attr中为操作系统实现支持的线程所有属性的默认值
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_destroy(&attr);

分离线程

线程创建默认是非分离的，当pthread_join()函数返回时，创建的线程终止，释放自己占用的系统资源

分离线程不能被其他线程等待,pthread_join无效，线程自己玩自己的。

//设置是否为分离线程
//PTHREAD_CREATE_DETACHED 分离
//PTHREAD_CREATE_JOINABLE 非分离
pthread_attr_setdetachstate(&attr,PTHREAD_CREATE_DETACHED);

调度策略与优先级

Windows 无法设置成功

//设置调度策略 
//返回0 设置成功
pthread_attr_setschedpolicy(&attr, SCHED_FIFO);
// SCHED_FIFO 
//  实时调度策略，先到先服务 一旦占用cpu则一直运行。一直运行直到有更高优先级任务到达或自己放弃。
// SCHED_RR
//  实时调度策略，时间轮转 系统分配一个时间段，在时间段内执行本线程


//设置优先级
//获得对应策略的最小、最大优先级
int max = sched_get_priority_max(SCHED_FIFO);
int min = sched_get_priority_min(SCHED_FIFO);
sched_param param;
param.sched_priority = max;
pthread_attr_setschedparam(&attr, ¶m);

线程同步

多线程同时读写同一份共享资源的时候，可能会引起冲突。需要引入线程“同步”机制，即各位线程之间有序地对共享资源进行操作。

#include 
#include 
using namespace std;

queue q;
void *pop(void* args) {
    //线程未同步导致的多线程安全问题
    // 会有重复的数据取出并出现异常
    if (!q.empty())
    {
        printf("取出数据:%d\n", q.front());
        q.pop();//弹出数据
    }
    else {
        printf("无数据\n");
    }
    return 0;
}

int main()
{
    //相对列塞了5条数据
    for (size_t i = 0; i < 5; i++)
    {
        q.push(i);
    }
    //创建10条线程
    pthread_t pid[10];
    for (size_t i = 0; i < 10; i++)
    {
        pthread_create(&pid[i], 0, pop, &q);
    }
    system("pause");
    return 0;
}

加入互斥锁

queue q;
pthread_mutex_t mutex;
void *pop(void* args) {
    // 锁，相当于java的synchronized，悲观锁
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    if (!q.empty())
    {
        printf("取出数据:%d\n", q.front());
        q.pop();
    }
    else {
        printf("无数据\n");
    }
    // 放
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return 0;
}

int main()
{
    //初始化互斥锁
    pthread_mutex_init(&mutex, 0);
    for (size_t i = 0; i < 5; i++)
    {
        q.push(i);
    }
    pthread_t pid[10];
    for (size_t i = 0; i < 10; i++)
    {
        pthread_create(&pid[i], 0, pop, &q);
    }
    //需要释放
    for (size_t i = 0; i < 10; i++)
    {
        pthread_join(pid[i], 0);
    }
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    system("pause");
    return 0;
}

条件变量

条件变量是线程间进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；另一个线程使"条件成立",从而唤醒挂起线程

template 
class SafeQueue {
public:
    SafeQueue() {
        pthread_mutex_init(&mutex,0);
    }
    ~SafeQueue() {
        pthread_mutex_destory(&mutex);
    }
    
    //生产 加入数据
    void enqueue(T t) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        q.push(t);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    
    //消费 取数据
    int dequeue(T& t) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (!q.empty())
        {
            t = q.front();
            q.pop();
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            return 1;
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        return 0;
    }

private:
    queue q;
    pthread_mutex_t mutex;
};

上面的模板类存放数据T，并使用互斥锁保证对queue的操作是线程安全的。这就是一个生产/消费模式。

如果在取出数据的时候，queue为空，则一直等待，直到下一次enqueue加入数据。

这就是一个典型的生产/消费模式, 加入条件变量使 “dequeue” 挂起,直到由其他地方唤醒

#pragma once
#include 
using namespace std;

template 
class SafeQueue {
public:
    SafeQueue() {
        pthread_mutex_init(&mutex,0);
        pthread_cond_init(&cond, 0);
    }
    ~SafeQueue() {
        pthread_mutex_destory(&mutex);
        pthread_cond_destory(&cond);
    }
    void enqueue(T t) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        q.push(t);
        //发出信号 通知挂起线程
        //由系统唤醒一个线程
        //pthread_cond_signal(&cond);
        // 广播 对应多个消费者的时候 多个线程等待唤醒所有
        pthread_cond_broadcast(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    int dequeue(T& t) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        //可能被意外唤醒 所以while循环
        while (q.empty())
        {
            //等待
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        t = q.front();
        q.pop();
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        return 1;
    }

private:
    queue q;
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t cond;
};

#include "example.h"
#include 
#include 

using namespace std;
#include "safe_queue.h"

SafeQueue q;

void *get(void* args) {
    while (1) {
        int i;
        q.dequeue(i);
        cout << "消费:"<< i << endl;
    }
    return 0;
}
void *put(void* args) {
    while (1)
    {
        int i;
        cin >> i;
        q.enqueue(i);
    }
    return 0;
}
int main()
{
    pthread_t pid1, pid2;
    pthread_create(&pid1, 0, get, &q);
    pthread_create(&pid2, 0, put, &q);
    pthread_join(pid2,0);
    system("pause");
    return 0;
}

智能指针

自C++11起，C++标准库提供了两大类型的智能指针

shared_ptr

操作引用计数实现共享式拥有的概念。多个智能指针可以指向相同的对象，这个对象和其相关资源会在最后一个被销毁时释放。

class A {
public:
    ~A() {
        cout << "释放A" << endl;
    }
};

void test() {
    //自动释放 引用计数为1
    shared_ptr a(new A());
    //退出方法 shared_ptr a本身释放，对内部的 A 对象引用计数减1 则为0 释放new 出来的A 对象 
}

虽然使用shared_ptr能够非常方便的为我们自动释放对象，但是还是会出现一些问题。最典型的就是循环引用问题。

class B;
class A {
public:
    ~A() {
        cout << "释放A" << endl;
    }
    shared_ptr b;
};

class B {
public:
    ~B() {
        cout << "释放B" << endl;
    }
    shared_ptr a;
};
void test() {
    //自动释放
    shared_ptr a(new A()); //A引用计数为1
    shared_ptr b(new B()); //B引用计数为1
    cout << a.use_count() << endl; //查看内部对象引用计数
    a->b = b;           //A 引用计数为2
    b->a = a;           //B 引用计数为2
    //退出方法，a释放，A引用计数-1结果为1 不会释放 B也一样
}

weak_ptr

weak_ptr是为配合shared_ptr而引入的一种智能指针。主要用于观测资源的引用情况。

它的构造和析构不会引起引用记数的增加或减少。没有重载*和->但可以使用lock获得一个可用的shared_ptr对象。

配合shared_ptr解决循环引用问题

class B;
class A {
public:
    ~A() {
        cout << "释放A" << endl;
    }
    weak_ptr b;
};
class B {
public:
    ~B() {
        cout << "释放B" << endl;
    }
    weak_ptr a;
};

void test() {
    //自动释放
    shared_ptr a(new A()); //A引用计数为1
    shared_ptr b(new B()); //B引用计数为1

    a->b = b;           //weak_ptr 引用计数不增加
    b->a = a;           //weak_ptr 引用计数不增加
    //退出方法，A B释放
}

weak_ptr 提供expired 方法等价于 use_count == 0，当expired为true时，lock返回一个存储空指针的shared_ptr

unique_ptr

实现独占式引用，保证同一时间只有一个智能指针指向内部对象。

unique_ptr a(new A());

auto_ptr已经不推荐使用

自定义智能指针

template 
class Ptr {
public:
    Ptr() {
        count = new int(1);
        t = 0;
    }
    Ptr(T *t):t(t) {
        //引用计数为1
        count = new int(1);
    }
    ~Ptr() {
        //引用计数-1 为0表示可以释放T了
        if (--(*count) == 0)
        {
            if (t) {
                delete t;
            }
            delete count;
            t = 0;
            count = 0;
        }
    }
    //拷贝构造函数
    Ptr(const Ptr &p) {
        //引用计数+1
        ++(*p.count);
        t = p.t;
        count = p.count;
    }

    Ptr& operator=(const Ptr& p) {
        ++(*p.count);
        //检查老的数据是否需要删除
        if (--(*count) == 0) {
            if (t) {
                delete t;
            }
            delete count;
        }
        t = p.t;
        count = p.count;
        return *this;
    }
    //重载-> 操作T 类
    T* operator->() { return t; }

private:
    T *t;
    int *count;
};

重载=为什么返回引用，而不是对象？

return *this后马上就调用拷贝构造函数，将*this拷贝给一个匿名临时对象，然后在把临时对象拷贝给外部的左值(a=b,a为左值)，再释放临时对象。这样首先会造成不必要的开销。

同时如果没有自定义的拷贝函数，则会使用默认的浅拷贝。如果类中存在指向堆空间的成员指针,需要进行深拷贝（重新申请内存），避免相同内存地址被其他地方释放导致的问题。

如果此处返回对象不会导致出现问题：

第四节课中提到：

引用类型(Test1&) 没有复制对象 返回的是 t 对象本身 t会被释放 所以会出现问题(数据释放不彻底就不一定)

这里的t作用域是函数内我们自己创建的一个临时对象，因此会被释放，而在此处返回 *this，作用范围和t不一样。其次，在类中定义了拷贝函数，虽然未进行深拷贝，但小心的维护了堆内存指针(t、count)，不会出现堆内存释放导致的悬空指针情况。

部分C++11、14特性

nullptr

nullptr 出现的目的是为了替代 NULL。 C++11之前直接将NULL定义为 0。

void test(int* i){
    
}
void test(int i){
    
}
//现在调用哪一个test？ test(int)
test(NULL);
//调用test(int* i)
test(nullptr); 

类型推导

C++11 重新定义了auto 和 decltype 这两个关键字实现了类型推导，让编译器来操心变量的类型。

auto i = 5;             // i 被推导为 int
auto p = new auto(10) // arr 被推导为 int *
//但是auto不能作用在数组上
auto arr1[10] = { 0 }; //错误
auto arr2= {0}; //正确
typeid(arr2).name() //获得类型名为 initializer_list(后续介绍)
// int  j
decltype(i) j = 10;

基于范围的 for 循环

实际上就是foreach

vector vec = { 1,2,3,4,5 };
//配合auto使用
for(auto i : vec)
{
    cout << i << endl;
}

Lambda

匿名函数，即没有函数名的函数

完整形式：

[捕获外部变量列表 ] (参数列表) mutable exception->返回类型 { 函数体 }

mutable：在外部变量列表以值来捕获时，无法修改变量的值，加上mutable表示可修改(不会影响外部变量)

auto i = 5;
// [&] 表示外部变量都以引用的形式在lambda中使用，函数内部修改i的值会影响外部
// 这里的 -> auto 自动推导在c++11不支持，c++14中对auto进行了扩展
thread t1([&] () -> auto {
    i = 100;
    cout << "线程:" << i  << endl;
});
_sleep(10);
cout << i << endl;

捕获形式	说明
[]	不捕获任何外部变量
[i, …]	以值得形式捕获指定的多个外部变量（用逗号分隔）；如果引用捕获，需要显示声明&
[this]	以值的形式捕获this指针
[=]	以值的形式捕获所有外部变量
[&]	以引用形式捕获所有外部变量
[=, &x]	变量x以引用形式捕获，其余变量以传值形式捕获
[&, x]	变量x以值的形式捕获，其余变量以引用形式捕获