C++多线程/原子性操作互斥锁
1.线程库
1.thread类的简单介绍
在C++11之前，涉及到多线程问题，都是和平台相关的，比如windows和linux下各有自己的接口，这使得代码的可移植性比较差。C++11中最重要的特性就是对线程进行支持了，使得C++在并行编程时不需要依赖第三方库，而且在原子操作中还引入了原子类的概念。要使用标准库中的线程，必须包含< thread >头文件。
接下来介绍常用的接口：
| 函数名 | 功能 |
| thread() | 构造一个线程对象，没有关联任何线程函数，即没有启动任何线程 |
| thread(fn,args1, args2, ...) |
构造一个线程对象，并关联线程函数fn，args1，args2，...为线程函数的 参数 |
| get_id() | 获取线程id |
| jionable() | 线程是否还在执行，joinable代表的是一个正在执行中的线程。 |
| jion() | 该函数调用后会阻塞住线程，当该线程结束后，主线程继续执行 |
| detach() | 在创建线程对象后马上调用，用于把被创建线程与线程对象分离开，分离 的线程变为后台线程，创建的线程的"死活"就与主线程无关 |
代码示例：
#include
#include
using namespace std;
void Print(int n)
{
for (int i = 1; i < n; ++i)
{
cout << this_thread::get_id() <<": " << i << endl;
}
}
int main()
{
//创建线程对象
thread t1(Print,100);
thread t2(Print,100);
//线程等待
t1.join();
t2.join();
return 0;
} 
打印出结果，我们会发现结果打印得很乱，那是因为这份代码并没有保证线程安全。待会就会讲到互斥锁了，现在我们继续看线程的知识。
通过这份代码，我们可以得出下面的结论，以及接口解释：
①线程是操作系统中的一个概念，线程对象可以关联一个线程，用来控制线程以及获取线程的状态。
②当创建一个线程对象后，没有提供线程函数，该对象实际没有对应任何线程。如：
#include
int main()
{
std::thread t1;
cout << t1.get_id() << endl;
return 0;
} 认识get_id();
get_id()的返回值类型为id类型，id类型实际为std::thread命名空间下封装的一个类，该类中包含了一个结构体：
// vs下查看
typedef struct
{ /* thread identifier for Win32 */
void* _Hnd; /* Win32 HANDLE */
unsigned int _Id;
} _Thrd_imp_t;③当创建一个线程对象后，并且给线程关联线程函数，该线程就被启动，与主线程一起运行。
thread(fn,args1, args2, ...)
线程函数一般情况下可按照三种方式提供：函数指针、lambda表达式、函数对象
void ThreadFunc(int a)
{
cout << "Thread1" << a << endl;
}
class TF
{
public:
void operator()()
{
cout << "Thread3" << endl;
}
};
int main()
{
//线程函数为函数指针
thread t1(ThreadFunc,10);
//线程函数为lambda表达式
int x = 0;
thread t2([&x]() {
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
cout << this_thread::get_id() << ": " << i << endl;
++x;
}
});
//线程函数为函数对象
TF tf;
thread t3(tf);
t1.join();
t2.join();
t3.join();
cout << "x = " << x << endl;
return 0;
}
③thread类是防拷贝的，不允许拷贝构造以及赋值，但是可以移动构造和移动赋值，即将一个线程对象关联线程的状态转移给其他线程对象，转移期间不意向线程的执行。
⑤可以通过jionable()函数判断线程是否是有效的，如果是以下任意情况，则线程无效。
采用无参构造函数构造的线程对象。
线程对象的状态已经转移给其他线程对象。
线程已经调用jion或者detach结束。
线程函数参数
我们会很好奇，线程函数参数是如何拷贝到线程函数中的。那么我们来解释一下：
线程函数的参数是以值拷贝的方式拷贝到线程栈空间中的，因此：即使线程参数为引用类型，在线程中修改后也不能修改外部实参，因为其实际引用的是线程栈中的拷贝，而不是外部实参。
如果我们想要通过形参改变外部实参，必须通过std::ref()函数。
void ThreadFunc1(int& x)
{
x += 10;
}
void ThreadFunc2(int* x)
{
*x += 10;
}
int main()
{
int a = 10;
在线程函数中对a修改，不会影响外部实参，因为：线程函数参数虽然是引用方式，但其实际
//引用的是线程栈中的拷贝
thread t1(ThreadFunc1, a);
t1.join();
cout << a << endl; //10
// 如果想要通过形参改变外部实参时，必须借助std::ref()函数
thread t2(ThreadFunc1, std::ref(a));
t2.join();
cout << a << endl; //20
// 地址的拷贝
thread t3(ThreadFunc2, &a);
t3.join();
cout << a << endl; //30
return 0;
}2.lock_guard与unique_lock
我们需要用锁来保证一段代码的安全性，就像上面写的第一份代码，数据很乱，因此我们需要用锁来解决这个问题（当然，使用原子性操作也是可以的，这里先讲解锁）。
#include
#include
#include
using namespace std;
mutex mtx;//定义全局变量
void Print(int n)
{
for (int i = 1; i < n; ++i)
{
mtx.lock();//加锁
cout << this_thread::get_id() <<": " << i << endl;
mtx.unlock();//解锁
}
}
int main()
{
//创建线程对象
thread t1(Print,100);
thread t2(Print,100);
//线程等待
t1.join();
t2.join();
return 0;
} 
此时，加了锁之后，一切都变得流畅起来了。
需要说明的是：
①代码中，线程是并发性的，并且由于++x这个操作比较频繁，线程不断加锁解锁，消耗比较大，但是如果锁是在for循环外面，则是串行的，在这种情况下，线程加锁和解锁的操作不需要很多。因此，在这种情况下，串行比并发效率更高。
//串行
mtx.lock();//加锁
for (int i = 1; i < n; ++i)
{
cout << this_thread::get_id() <<": " << i << endl;
}
mtx.unlock();//解锁②互斥锁变量是一份共享资源，必须让所有线程都看到，因此我们可以将其定义成全局变量。当然，可以通过std::ref()函数或者是lambda表达式，定义其为局部变量。
定义为局部变量之std::ref()函数：
#include
#include
#include
using namespace std;
void Print(int n,mutex& mtx)
{
for (int i = 1; i < n; ++i)
{
mtx.lock();//加锁
cout << this_thread::get_id() <<": " << i << endl;
mtx.unlock();//解锁
}
}
int main()
{
mutex mtx;//定义为局部变量
//创建线程对象
thread t1(Print,10,ref(mtx));
thread t2(Print,10,ref(mtx));
//线程等待
t1.join();
t2.join();
return 0;
} 定义为局部变量之lambda表达式：
int main()
{
mutex mtx;//定义为局部变量
int x = 0;
int n = 10;
//创建线程对象
//lambda表达式
thread t1([&]() {
for (int i = 0; i < n; ++i)
{
mtx.lock();
cout << this_thread::get_id() << ": " << i << endl;
this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
++x;
mtx.unlock();
}
});
thread t2([&]() {
for (int i = 0; i < n; ++i)
{
mtx.lock();
cout << this_thread::get_id() << ": " << i << endl;
this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
++x;
mtx.unlock();
}
});
//线程等待
t1.join();
t2.join();
cout << x << endl;
return 0;
}
反思：
上述代码的缺陷：锁控制不好时，可能会造成死锁，最常见的比如在锁中间代码返回，或者在锁的范围内抛异常。因此：C++11采用RAII的方式对锁进行了封装，即lock_guard和unique_lock。
mutex的种类
在C++11中，Mutex总共包了四个互斥量的种类
第一种：std::mutex。这是C++11提供的最基本的互斥量，该类的对象之间不能拷贝，也不能进行移动。mutex最常用的三个函数。
| 函数名 | 函数功能 |
| lock() | 上锁：锁住互斥量 |
| unlock() | 解锁：释放对互斥量的所有权 |
| try_lock() | 尝试锁住互斥量，如果互斥量被其他线程占有，则当前线程也不会被阻 塞 |
注意，线程函数调用lock()时，可能会发生以下三种情况：
①如果该互斥量当前没有被锁住，则调用线程将该互斥量锁住，直到调用 unlock之前，该线程一直拥有该锁。
②如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前的调用线程被阻塞住。
③如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。
线程函数调用try_lock()时，可能会发生以下三种情况：
①如果当前互斥量没有被其他线程占有，则该线程锁住互斥量，直到该线程调用 unlock释放互斥量。
②如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前调用线程返回 false，而并不会被阻塞掉。
③如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。
第二种：std::recursive_mutex。
其允许同一个线程对互斥量多次上锁（即递归上锁），来获得对互斥量对象的多层所有权，释放互斥量时需要调用与该锁层次深度相同次数的 unlock()，除此之外，std::recursive_mutex 的特性和 std::mutex 大致相同。一般用在递归上。
第三种std::timed_mutex
比 std::mutex 多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until()。
try_lock_for()：
接受一个时间范围，表示在这一段时间范围之内线程如果没有获得锁则被阻塞住（与
std::mutex 的 try_lock() 不同，try_lock 如果被调用时没有获得锁则直接返回false），如果在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，如果超时（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。
try_lock_until()
接受一个时间点作为参数，在指定时间点未到来之前线程如果没有获得锁则被阻塞住，如果在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，如果超时（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。
第四种：std::recursive_timed_mutex。是第二和第三种的结合，用于递归。
lock_guard
lock_guard类模板主要是通过RAII的方式，对其管理的互斥量进行了封装，在需要加锁的地方，只需要用上述介绍的任意互斥体实例化一个lock_guard，调用构造函数成功上锁，出作用域前，lock_guard对象要被销毁，调用析构函数自动解锁，可以有效避免死锁问题。
template
class lock_guard
{
public:
// 在构造lock_gard时，_Mtx还没有被上锁
explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx)
: _MyMutex(_Mtx)
{
_MyMutex.lock();
}
// 在构造lock_gard时，_Mtx已经被上锁，此处不需要再上锁
lock_guard(_Mutex& _Mtx, adopt_lock_t)
: _MyMutex(_Mtx)
{}
//析构，自动解锁
~lock_guard() _NOEXCEPT
{
_MyMutex.unlock();
}
lock_guard(const lock_guard&) = delete;
lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
_Mutex& _MyMutex;
}; lock_guard的缺陷：太单一，用户没有办法对该锁进行控制，因此C++11又提供了unique_lock。
unique_lock
与lock_guard相同的是：unique_lock类模板也是采用RAII的方式对锁进行了封装，并且也是以独占所有权的方式管理mutex对象的上锁和解锁操作，即其对象之间不能发生拷贝。在构造(或移动(move)赋值)时，unique_lock 对象需要传递一个 Mutex 对象作为它的参数，新创建的unique_lock 对象负责传入的 Mutex 对象的上锁和解锁操作。使用以上类型互斥量实例化unique_lock的对象时，自动调用构造函数上锁，unique_lock对象销毁时自动调用析构函数解锁，可以很方便的防止死锁问题。
与lock_guard不同的是：，unique_lock更加的灵活，提供了更多的成员函数。
上锁/解锁操作：lock、try_lock、try_lock_for、try_lock_until和unlock
修改操作：移动赋值、交换(swap：与另一个unique_lock对象互换所管理的互斥量所有权)、释放(release：返回它所管理的互斥量对象的指针，并释放所有权)
获取属性：owns_lock(返回当前对象是否上了锁)、operator bool()(与owns_lock()的功能相
同)、mutex(返回当前unique_lock所管理的互斥量的指针)。
3.原子性操作库（atomic）
多线程最主要的问题是共享数据带来的问题(即线程安全)。如果共享数据都是只读的，那么没问
题，因为只读操作不会影响到数据，更不会涉及对数据的修改，所以所有线程都会获得同样的数
据。但是，当一个或多个线程要修改共享数据时，就会产生很多潜在的麻烦，比如：
#include
using namespace std;
#include
unsigned long sum = 0;
void fun(size_t num)
{
for (size_t i = 0; i < num; ++i)
sum++;
}
int main()
{
cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;
thread t1(fun, 10000000);
thread t2(fun, 10000000);
t1.join();
t2.join();
cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
return 0;
} 
在C++98中，我们可以选择使用加锁来对共享资源进行保护。虽然加锁可以解决，但是加锁有一个缺陷就是：只要一个线程在对sum++时，其他线程就会被阻塞，会影响程序运行的效率，而且锁如果控制不好，还容易造成死锁。而在C++11中，引入了原子操作。所谓原子操作：即不可被中断的一个或一系列操作，C++11引入的原子操作类型，使得线程间数据的同步变得非常高效。
#include
using namespace std;
#include
#include //原子操作的头文件
atomic_long sum{ 0 };//原子性
void fun(size_t num)
{
for (size_t i = 0; i < num; ++i)
sum++; // 原子操作
}
int main()
{
cout << "Before joining, sum = " << sum << std::endl;
thread t1(fun, 1000000);
thread t2(fun, 1000000);
t1.join();
t2.join();
cout << "After joining, sum = " << sum << std::endl;
return 0;
} 
因此在C++11中，程序员不需要对原子类型变量进行加锁解锁操作，线程能够对原子类型变量互斥的访问。
更为普遍的，程序员可以使用atomic类模板，定义出需要的任意原子类型。
atmoic t; // 声明一个类型为T的原子类型变量t 原子类型通常属于"资源型"数据，多个线程只能访问单个原子类型的拷贝，因此在C++11中，原子类型只能从其模板参数中进行构造，不允许原子类型进行拷贝构造、移动构造以及operator=等，为了防止意外，标准库已经将atmoic模板类中的拷贝构造、移动构造、赋值运算符重载默认删除掉了。
#include
int main()
{
atomic a1(0);
//atomic a2(a1); // 编译失败
atomic a2(0);
//a2 = a1; // 编译失败
return 0;
} 支持两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数
最后写一个例子，让两个线程交替打印数据，一个打印奇数，一个打印偶数。
#include
#include
#include
#include
void two_thread_print()
{
std::mutex mtx;//先定义一把锁
condition_variable c;//定义条件变量
int n = 100;//临界资源
bool flag = true;
thread t1([&]() {
int i = 0;
while (i < n)
{
unique_lock lock(mtx);//使用unique_lock，对锁进行封装
c.wait(lock, [&]()->bool {return flag; });//加锁后的线程，进来先等待
//如果条件flag为true，那么就会满足条件，就往下执行
cout << "我是thread1： " << i << endl;
i += 2;//偶数
flag = false;
c.notify_one();//唤醒线程
}
//到达这里，锁会解锁
});
thread t2([&]() {
int j = 1;
while (j < n)
{
unique_lock lock(mtx);//使用unique_lock，对锁进行封装
c.wait(lock, [&]()->bool {return !flag; });//加锁后的线程，进来先等待
//如果条件flag为false，那么就会满足条件，就往下执行
cout <<"我是thread2： " <