初识【线程】

一、线程

1.1 并发与并行

并发：指两个或多个事件在同一个时间段内发生。----单核CPU,并发执行
并行：指两个或多个事件在同一时刻发生（同时发生）—多核CPU，并行执行

1.2 线程与进程

进程：内存中运行的程序，每个进程都用独立的内存空间，一个应用程序有多个进程。
线程Thread:程序执行流的最小单元，线程不会执行程序，其就像载体，将要执行的代码运送到cpu进行处理。
多线程就是多个线程同时并发执行。

1.3 线程调度：

分时调度：轮流使用cpu，平均分配。
抢占式调度：先优先级高的使用，如果同级，随机选择。
a、设置线程的优先级。
b、多线程程序并不能提高程序的运行速度，但可以提高运行效率，是的cpu使用效率更高。
线程是一个进程内部的控制序列。

1.4 为什么用多线程

避免拥塞、避免CPU的空转–异步调用、提升效率，C++11提供了语言层面上的多线程，包含在头文件中。
它解决了跨平台的问题，提供了管理线程、保护共享数据、线程间同步操作、原子操作等类。
C++11 新标准中引入了5个头文件来支持多线程编程，如下图所示：

1.5 线程与进程的区别

进程是系统进行资源分配和调用的一个独立单位
线程是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位，线程只是一段程序的执行。

二 、Pthread线程函数

2.1、创建线程

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
int pthread_create(获取线程id, 设置线程属性， 线程运行函数地址， 运行函数传参）
举例：

#include 
#include 
#include  
// 使用线程时需要添加这个头文件
// myfunc 线程携带的函数；固定为Void*型
myfunc(void* args){
		printf("hello world\n");
	return NULL;
}
 
int main(){
    pthread_t th1;   //  声明线程th1 
    pthread_create(&th1,NULL,(void*)myfunc,NULL); //创建线程并说明需要执行的函数
    pthread_join(th1,NULL)； //线程阻塞
}

案例中的main函数就是所谓的主线程，main函数结束即主线程结束，主线程结束就是进程结束，进程一旦结束所有的线程就都结束了。

创建线程时传递参数，由于创建线程可以传递一个void指针，因此只需把要传递的数据的首地址给线程入口函数即可，但在线程入口函数中需要把void指针转换成对应的类型才能使用。
在线程执行期间，线程之间共享的数据要保证有效，否可能会有段错误、脏数据。

2.2、等待线程

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
Pthread_join（等待的线程id, 接受线程函数的返回值）。
注意：
1）一旦调用就会进入阻塞，会等待线程结束才返回，如果等待的线程不存在，就立即返回。
2）在等待线程结束时可以获取到线程入口函数的返回值，返回值是指针，因此需要使用二级指针来接收，当线程时要保证线程返回的指针指向的数据依然有效。
3）如果线程返回的指针指向的是堆内存，则接收到该指针后要进行释放。

2.3、获取线程自身的ID

pthread_t pthread_self(void);

2.4、比较两个线程ID

int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);
功能：是比较两人个线程ID是不是同一个线程，原因有些系统的pthead_t是以结构体形式实现的。

2.5、线程的终止

1）、从线程的入口函数中return
2）、调用pthread_exit函数
void pthread_exit(void *retval);
功能：立即结束当前线程，如果在主线程中直接结束，相当于结束整个进程。retval：给pthread_join函数的返回值，相当于线程入口函数的return。

2.6、线程终止不可使用exit函数退出

exit功能是让进程结束，进程中的任何一个线程调用exit都会导致整个进程结束。

2.7、线程的执行轨迹

同步方式：创建线程之后，主线程可以调用pthread_join函数等待。
异步方式：创建线程之后，就和主线程没有关系，不能被等待。
默认创建出的线程是同步方式执行，可以调用pthread_detach函数使线程分离。
int pthread_detach(pthread_t thread);
int pthread_detach(被分离的线程ID);

2.8、取消线程

取消线程就是主线程或父线程向子线程发送结束请求。
int pthread_cancel(pthread_t thread);

三、C++11 thread线程函数

3.1 创建线程

第一种：
std::thread myThread ( thread_fun);//函数形式为void thread_fun()
myThread.join();
第二种：
std::thread myThread ( thread_fun(100));
myThread.join();
第三种：
std::thread (thread_fun,1).detach();//直接创建线程，没有名字
举例1：

#include 
#include 
using namespace std;
void thread_1()
{
    cout<<"first_sub_thread"<<endl;
}
void thread_2(int x)
{
    cout<<"x:"<<x<<endl;
  cout<<"second_sub_thread"<<endl;
}
int main()
{
  thread first ( thread_1);     	// 开启线程，调用：thread_1()
  thread second (thread_2,100);  	// 开启线程，调用：thread_2(100)
  thread third(thread_2,3);			//开启第3个线程，共享thread_2函数。
  std::cout << "main_thread\n";

  first.join(); 					//必须说明添加线程的方式            
  second.join();
  third.join();  
  std::cout << "子线程结束.\n";		//必须join完成
  return 0;
}

3.2 join与detach方式

当线程启动后，一定要在和线程相关联的thread销毁前，确定以何种方式等待线程执行结束。比如上例中的join。

detach方式：启动的线程自主在后台运行，当前的代码继续往下执行，不等待新线程结束主线程不会等待子线程结束。如主线程运行结束，程序则结束。
join方式：等待启动的线程完成，才会继续往下执行join后的代码不会被执行，除非子线程结束。

可以使用joinable判断是join模式还是detach模式
if (myThread.joinable()) mythread.join();

3.3 this_thread类

有4个功能函数，具体如下：
std::this_thread::get_id() // 获取线程id
std::this_thread::yield() // 放弃线程执行，回到就绪状态
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 暂停1秒
std::this_thread::sleep_until(system_clock::from_time_t(mktime™)); // 直到规定分钟后执行

3.4. mutex（互斥）

mutex头文件声明了与互斥量(mutex)相关的类。mutex提供了4种互斥类型，如下所示：
std::mutex // 最基本的 Mutex 类。
std::recursive_mutex // 递归 Mutex 类。
std::time_mutex // 定时 Mutex 类。
std::recursive_timed_mutex // 定时递归 Mutex 类。

3.5 lock与unlock

mutex常用操作：
lock()：资源上锁
unlock()：解锁资源
trylock()：查看是否上锁，它有下列3种类情况：
（1）未上锁返回false，并锁住；
（2）其他线程已经上锁，返回true；
（3）同一个线程已经对它上锁，将会产生死锁。

3.6 lock_guard

创建lock_guard对象时，它将尝试获取提供给它的互斥锁的所有权。当控制流离开lock_guard对象的作用域时，lock_guard析构并释放互斥量。

lock_guard的特点：
创建即加锁，作用域结束自动析构并解锁，无需手工解锁
不能中途解锁，必须等作用域结束才解锁
不能复制

#include 
#include 
#include 

int g_i = 0;
std::mutex g_i_mutex;  // protects g_i，用来保护g_i

void safe_increment()
{
    const std::lock_guard<std::mutex> lock(g_i_mutex);
    ++g_i;
    std::cout << std::this_thread::get_id() << ": " << g_i << '\n';
    // g_i_mutex自动解锁
}

int main()
{
	std::cout << "main id: " <<std::this_thread::get_id()<<std::endl;
    std::cout << "main: " << g_i << '\n';

    std::thread t1(safe_increment);
    std::thread t2(safe_increment);

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

    std::cout << "main: " << g_i << '\n';
}

3.7 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。

unique_lock的特点：
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）
所有 lock_guard 能够做到的事情，都可以使用 unique_lock 做到，反之则不然。那么何时使lock_guard呢？很简单，需要使用锁的时候，首先考虑使用 lock_guard，因为lock_guard是最简单的锁。

#include 
#include 
#include 
struct Box {
    explicit Box(int num) : num_things{num} {}

    int num_things;
    std::mutex m;
};

void transfer(Box &from, Box &to, int num)
{
    // defer_lock表示暂时unlock，默认自动加锁
    std::unique_lock<std::mutex> lock1(from.m, std::defer_lock);
    std::unique_lock<std::mutex> lock2(to.m, std::defer_lock);

    //两个同时加锁
    std::lock(lock1, lock2);//或者使用lock1.lock()

    from.num_things -= num;
    to.num_things += num;
    //作用域结束自动解锁,也可以使用lock1.unlock()手动解锁
}

int main()
{
    Box acc1(100);
    Box acc2(50);

    std::thread t1(transfer, std::ref(acc1), std::ref(acc2), 10);
    std::thread t2(transfer, std::ref(acc2), std::ref(acc1), 5);

    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "acc1 num_things: " << acc1.num_things << std::endl;
    std::cout << "acc2 num_things: " << acc2.num_things << std::endl;
}

3.8 3. condition_variable

condition_variable 的头文件有两个variable类，一个是 condition_variable，另一个是 condition_variable_any。
condition_variable 必须结合unique_lock使用。condition_variable_any 可以使用任何的锁。下面以 condition_variable 为例进行介绍。
condition_variable 条件变量可以阻塞（wait、wait_for、wait_until）调用的线程直到使用（notify_one或notify_all）通知恢复为止。
condition_variable 是一个类，这个类既有构造函数也有析构函数，使用时需要构造对应的 condition_variable 对象，调用对象相应的函数来实现上面的功能。

类型 说明
wait // Wait until notified
wait_for // Wait for timeout or until notified
wait_until // Wait until notified or time point
notify_one // 解锁一个线程，如果有多个，则未知哪个线程执行
notify_all // 解锁所有线程

四、线程锁

死锁：th1运行后，th2等待th1解锁，运行出错，th1未执行完，重新启动，th1又重新执行，th2排在th1的前面，需要等th1计算所，th1等th2结束，相互等待，形成死锁。
锁的使用方法
pthread_mutex_t lock; 声明一个锁
pthread_mutex_init(&lock,NULL); 对声明的锁进行初始化

pthread_mutex_lock(&lock); //上锁 此时其他线程就开始等待
pthread_mutex_lock(&unlock); //解锁 其他线程可以使用资源了

五、线程池

在一个程序中，如果我们需要多次使用线程，这就意味着，需要多次的创建并销毁线程。而创建并销毁线程的过程势必会消耗内存，线程过多会带来调动的开销，进而影响缓存局部性和整体性能。

因为程序边运行边创建线程是比较耗时的，所以我们通过池化的思想：在程序开始运行前创建多个线程，这样，程序在运行时，只需要从线程池中拿来用就可以了．大大提高了程序运行效率．

一般线程池都会有以下几个部分构成：

线程池管理器（ThreadPoolManager）:用于创建并管理线程池，也就是线程池类
工作线程（WorkThread）: 线程池中线程
任务队列task: 用于存放没有处理的任务。提供一种缓冲机制。
append：用于添加任务的接口

线程池实现代码：

#ifndef _THREADPOOL_H
#define _THREADPOOL_H
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include  //unique_ptr
#include

const int MAX_THREADS = 1000; //最大线程数目

template <typename T>
class threadPool
{
public:
    threadPool(int number = 1);//默认开一个线程
    ~threadPool();
    std::queue<T *> tasks_queue;		   //任务队列

    bool append(T *request);//往请求队列＜task_queue＞中添加任务

private:
    //工作线程需要运行的函数,不断的从任务队列中取出并执行
    static void *worker(void *arg);
    void run();

private:
    std::vector<std::thread> work_threads; //工作线程

    std::mutex queue_mutex;
    std::condition_variable condition;  //必须与unique_lock配合使用
    bool stop;
};//end class

//构造函数，创建线程
template <typename T>
threadPool<T>::threadPool(int number) : stop(false)
{
    if (number <= 0 || number > MAX_THREADS)
        throw std::exception();
    for (int i = 0; i < number; i++)
    {
        std::cout << "created Thread num is : " << i <<std::endl;
        work_threads.emplace_back(worker, this);//添加线程--直接在容器尾部创建这个元素，省去了拷贝或移动元素的过程。
    }
}
template <typename T>
inline threadPool<T>::~threadPool()
{

    std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
    stop = true;
    condition.notify_all();
    for (auto &ww : work_threads)
        ww.join();//可以在析构函数中join
}
//添加任务
template <typename T>
bool threadPool<T>::append(T *request)
{
    /*操作工作队列时一定要加锁，因为他被所有线程共享*/
    queue_mutex.lock();//同一个类的锁
    tasks_queue.push(request);
    queue_mutex.unlock();
    condition.notify_one(); //线程池添加进去了任务，自然要通知等待的线程
    return true;
}
//单个线程
template <typename T>
void *threadPool<T>::worker(void *arg)
{
    threadPool *pool = (threadPool *)arg;
    pool->run();//线程运行
    return pool;
}
template <typename T>
void threadPool<T>::run()
{
    while (!stop)
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lk(this->queue_mutex);
        /*　unique_lock() 出作用域会自动解锁　*/
        this->condition.wait(lk, [this] { return !this->tasks_queue.empty(); });
        //如果任务为空，则wait，就停下来等待唤醒
        //需要有任务，才启动该线程，不然就休眠
        if (this->tasks_queue.empty())//任务为空，双重保障
        {
            assert(0&&"断了");//实际上不会运行到这一步，因为任务为空，wait就休眠了。
            continue;
        }
        else
        {
            T *request = tasks_queue.front();
            tasks_queue.pop();
            if (request)//来任务了，开始执行
                request->process();
        }
    }
}
#endif


#include "mythread.h"
#include
#include
using namespace std;
class Task
{
    public:
    void process()
    {
        //cout << "run........." << endl;
        //测试任务数量
        long i=1000000;
        while(i!=0)
        {
            int j = sqrt(i);
            i--;
        }
    }
};

int main(void)
{
    threadPool<Task> pool(6);//6个线程，vector
    std::string str;
    while (1)
    {
            Task *tt = new Task();
            //使用智能指针
            pool.append(tt);//不停的添加任务，任务是队列queue，因为只有固定的线程数
            cout<<"添加的任务数量： "<<pool.tasks_queue.size()<<endl;;
            delete tt;
    }
}