C++闲谈03——多线程

C++闲谈03——多线程

多进程

优点

• 每个进程相互独立 不影响主程序的稳定性 子进程崩溃了没关系
• 通过增加CPU 就可以扩充性能
• 可以尽量减少线程加锁解锁的影响
• 每个子进程都有3GB地址空间和相关资源，总体能够达到的性能上限非常大。

缺点

• 逻辑控制复杂，需要和主程序交互；
• 需要跨进程边界，如果有大数据量传送，就不太好，适合小数据量传送、密集运算 多进程调度开销比较大；
• 最好是多进程和多线程结合，即根据实际的需要，每个CPU开启一个子进程，这个子进程开启多线程可以为若干同类型的数据进行处理。当然你也可以利用多线程+多CPU+轮询方式来解决问题
• 方法和手段是多样的，关键是自己看起来实现方便有能够满足要求，代价也合适。

多线程

优点

• 无需跨进程边界；
• 程序逻辑和控制方式简单；
• 所有线程可以直接共享内存和变量等；
• 线程方式消耗的总资源比进程方式好。

缺点

• 每个线程与主程序共用地址空间，受限于2GB地址空间；
• 线程之间的同步和加锁控 制比较麻烦；
• 一个线程的崩溃可能影响到整个程序的稳定性；
• 到达一定的线程数程度后，即使再增加CPU也无法提高性能，例如Windows Server 2003，大约是1500个左右的线程数就快到极限了（线程堆栈设定为1M），如果设定线程堆栈为2M，还达不到1500个线程总数；
• 线程能够提高的总性能有限，而且线程多了之后，线程本身的调度也是一个麻烦事儿，需要消耗较多的CPU。

多线程和多进程的区别

线程是进程的子集，一个进程可能由多个线程组成。

多进程的数据是分开的、共享复杂，需要用到IPC通信，但是同步简单

多线程共享进程的数据，共享简单，但是同步复杂

C++11 ——thread

阻塞分离

join：Join 线程，调用该函数会阻塞当前线程，直到由 *this 所标示的线程执行完毕 join 才返回。

detach: Detach 线程。 将当前线程对象所代表的执行实例与该线程对象分离，不会阻塞当前线程，使得线程的执行可以单独进行。一旦线程执行完毕，它所分配的资源将会被释放。

锁

• lock_guard 类似于智能指针里的scoped_ptr

lock_guard 通常用来管理一个 std::mutex 类型的对象，通过定义一个 lock_guard 一个对象来管理 std::mutex 的上锁和解锁。在 lock_guard 初始化的时候进行上锁，然后在 lock_guard 析构的时候进行解锁。这样避免了人为的对 std::mutex 的上锁和解锁的管理。

定义如下：

template class lock_guard;

它的特点如下：
(1) 创建即加锁，作用域结束自动析构并解锁，无需手工解锁
(2) 不能中途解锁，必须等作用域结束才解锁
(3) 不能复制

注意：

lock_guard 并不管理 std::mutex 对象的声明周期，也就是说在使用 lock_guard 的过程中，如果 std::mutex 的对象被释放了，那么在 lock_guard 析构的时候进行解锁就会出现空指针错误。

• unique_lock

简单地讲，unique_lock 是 lock_guard 的升级加强版，它具有 lock_guard 的所有功能，同时又具有其他很多方法，使用起来更强灵活方便，能够应对更复杂的锁定需要。

特点如下：

创建时可以不锁定（通过指定第二个参数为 std::defer_lock），而在需要时再锁定
可以随时加锁解锁
作用域规则同 lock_grard，析构时自动释放锁
不可复制，可移动
条件变量需要该类型的锁作为参数（此时必须使用 unique_lock）

生产者消费者模型

C++11多线程实现生产者消费者

单生产者单消费者模型

#include 
#include 
#include 
#include 
#include  // C++ STL所有的容器都不是线程安全
using namespace std;

/*
C++多线程编程 - 线程间的同步通信机制
多线程编程两个问题：
1.线程间的互斥
竟态条件 =》 临界区代码段 =》 保证原子操作 =》互斥锁mutex  轻量级的无锁实现CAS
strace ./a.out mutex => pthread_mutex_t
2.线程间的同步通信
生产者，消费者线程模型
*/

std::mutex mtx; // 定义互斥锁，做线程间的互斥操作
std::condition_variable cv; // 定义条件变量，做线程间的同步通信操作

// 生产者生产一个物品，通知消费者消费一个；消费完了，消费者再通知生产者继续生产物品
class Queue   // 对queue重新封装一下
{
public:
	void put(int val) // 生产物品
	{
		//lock_guard guard(mtx); // scoped_ptr   不能同时使用两把锁
		unique_lock<std::mutex> lck(mtx); // unique_ptr
		while (!que.empty())
		{
			// que不为空，生产者应该通知消费者去消费，消费完了，再继续生产
			// 生产者线程进入#1等待状态（阻塞状态），并且#2把mtx互斥锁释放掉 消费者线程就能抢到这把锁   不释放锁  无法消费
			cv.wait(lck);  // lck.lock()  lck.unlock
		}
		que.push(val);
		/* 
		notify_one:通知另外的一个线程的
		notify_all:通知其它所有线程的
		通知其它所有的线程，我生产了一个物品，你们赶紧消费吧
		其它线程得到该通知，就会从等待状态 =》 阻塞状态 =》 获取互斥锁才能继续执行
		*/
		cv.notify_all(); 
		cout << "生产者 生产:" << val << "号物品" << endl;
	}
	int get() // 消费物品
	{
		//lock_guard guard(mtx); // scoped_ptr
		unique_lock<std::mutex> lck(mtx); // unique_ptr
		while (que.empty())
		{
			// 消费者线程发现que是空的，通知生产者线程先生产物品
			// #1 进入等待状态 # 把互斥锁mutex释放
			cv.wait(lck);
		}
		int val = que.front();
		que.pop();
		cv.notify_all(); // 通知其它线程我消费完了，赶紧生产吧
		cout << "消费者 消费:" << val << "号物品" << endl;
		return val;
	}
private:
	queue<int> que;
};

void producer(Queue *que) // 生产者线程  生产10个物品
{
	for (int i = 1; i <= 10; ++i)
	{
		que->put(i);
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
	}
}
void consumer(Queue *que) // 消费者线程
{
	for (int i = 1; i <= 10; ++i)
	{
		que->get();
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
	}
}
int main()
{
	Queue que; // 两个线程共享的队列

	std::thread t1(producer, &que);
	std::thread t2(consumer, &que);

	t1.join(); // 主线程等到两个子线程执行完  继续执行
	t2.join();
    
    system("pause");
	return 0;
}

/*
线程间互斥 ： 临界区 原子类型  互斥锁  信号量

线程间同步 ： 条件变量 信号量
*/

多生产者多消费者

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

class Queue
{
public:
	Queue() :pro_counter(1) {}
	void put(int val)
	{
		// lock_guard lock(mtx);
		unique_lock<mutex> lck(mtx);
		while (!que.empty())
		{
			// que不为空，生产者应该通知消费之去消费，
			// 使用条件变量，当不为空，就将锁释放掉，

			cv_no_full.wait(lck);
		}
		que.push(val);
		cv_no_empty.notify_all(); // 通知所有的消费线程去消费
		// cv.notify_one(); // 通知一个线程
		// 其他线程得到该通知，就从等待状态，编程
		// 阻塞状态，然后在获取互斥锁继续执行。
	}

	int get()
	{
		int val = 0;
		{
			unique_lock<mutex> lck(mtx);
			while (que.empty())
			{
				// 通知生产者生产，
				// 进入等待状态，释放互斥锁
				cv_no_empty.wait(lck);
			}
			val = que.front();
			que.pop();
			cv_no_full.notify_all(); // 通知消费线程，我消费完了，赶紧生产吧
		}
		return val;
	}


	mutex producer_mtx; // 互斥生产者之间获取队列
	mutex comsumer_mtx; // 互斥消费者之间获取队列
	int pro_counter;  // 记录生产者已生产物品的个数
	int con_counter;  // 记录消费者已消费物品的个数
	const int MAX_PRODUCER = 10; // 最多生产的个数
private:
	queue<int> que;  // 共享队列
	mutex mtx;       // 互斥生产者和消费者获取队列
	condition_variable cv_no_full; // 用于共享队列不满
	condition_variable cv_no_empty; // 用于共享队列不空
};

Queue que;


void consumer(Queue *que)
{
	int flag = false;
	for (;;)
	{
		this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
		{
			lock_guard<mutex> lck(que->comsumer_mtx);
			if (que->con_counter < que->MAX_PRODUCER)
			{
				int data = que->get();
				++que->con_counter;
				cout << this_thread::get_id() << "消费 : " << data << "商品" << endl;
			}
			else
				flag = true;
		}
		if (flag)
			break;
	}
}

void producer(Queue *que)
{
	int flag(false);
	for(;;)
	{
		{
			lock_guard<mutex> lck(que->producer_mtx);
			if (que->pro_counter <= que->MAX_PRODUCER)
			{
				que->put(que->pro_counter);
				cout << this_thread::get_id() << "生产 : "<< que->pro_counter << "商品" << endl;
				++que->pro_counter;
			}
			else
				flag = true;
		}
		if (flag)
			break;
		this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
	}
}


int main()
{
	list<thread> pro_lst; // 生产者线程
	for (int i = 0; i < 3; ++i)
		pro_lst.push_back(thread(producer, &que));
	list<thread> con_lst; // 消费者线程
	for (int i = 0; i < 3; ++i)
		pro_lst.push_back(thread(consumer, &que));

	for (auto &it : pro_lst) // 注意这里只能使用引用&it，因为thread是没有左值的提供拷贝构造和赋值
		it.join();
	for (auto &it : con_lst)
		it.join();
	return 0;
}

atomic底层实现

c++11总结23——CAS（无锁队列）

CAS操作是一条CPU的原子指令

CAS(addr, old, new)

将addr存放的只与old比较，如果等于old，则将new赋值给addr

//输入一个pAddr的地址，在函数内部判断其的值是否与期望值nExpected相等
//如果相等那么就将pAddr的值改为nNew并同时返回true；否则就返回false，什么都不做
 
bool compare_and_swap(int *pAddr, int nExpected, int nNew)
{
    if(*pAddr == nExpected)
    {
        *pAddr = nNew;
        return true;
    }
    else
        return false;
}

用预期值A1和内存值A2做对比，如果A1等于A2，则内存值修改成B并返回true，

否则不操作并返回false。

volatile

volatile的底层原理与实现