C++——std::async和std::thread

作者：小 琛
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参考文章：
傻月菇凉博主-博客

OceanStar的学习笔记博主-博客

NGC_2070博主-博客

std::thread

C++官方链接

thread的提出

C++11提出了线程相关的内容，我们可以直接用它来实现线程操作

看一个例子：

#include 
#include 
 
void test()
{
	std::cout << "hello world!" << std::endl;
}
 
int main()
{
	//hello函数会在新的线程中执行
	std::thread t(test);
	//join会在调用线程等待std::thread对象相关联的线程结束 
	t.join();
 
	system("pause"); //msvc
	return 0;
}

使用方法、语法

函数	类别	作用
thread() noexcept	默认构造函数	创建一个线程
template explicit thread(Fn&& fn, Args&&… args)	初始化构造函数	创建一个线程，以args为参数
~thread()	析构函数	析构对象

一般来说，我们使用thread去创建一个线程，直接调用接口即可，再将希望执行的异步函数传入即可；而对于执行异步函数的参数，可以直接在创建时传入。注意，一定要保证传入的参数和执行异步函数的参数对应，否则会编译错误！
例如下面的例子：

// Compiler: MSVC 19.29.30038.1
// C++ Standard: C++17
#include 
#include 
using namespace std;
void countnumber(int id, unsigned int n) {
	for (unsigned int i = 1; i <= n; i++);
	cout << "Thread " << id << " finished!" << endl;
}
int main() {
	thread th[10];
	for (int i = 0; i < 10; i++)
		th[i] = thread(countnumber, i, 100000000);
	for (int i = 0; i < 10; i++)
		th[i].join();
	return 0;
}

传入的函数支持函数指针、lambda表达式

join、detach

但我们执行下面的代码，会发生编译错误：

#include
#include

using namespace std;

void thread1() {
    for(int i=0;i<20;++i)
        cout << "thread1..." << endl;
}

void thread2() {
    for (int i = 0; i<20; ++i)
        cout << "thread2..." << endl;
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    thread th1(thread1);   //实例化一个线程对象th1，该线程开始执行
    thread th2(thread2);
    cout << "main..." << endl;
    return 0;
}

原因：main函数在创建线程后，继续执行，并retrun 0即结束，但异步的线程并没有结束而引发异常。

熟悉线程相关知识的同学都知道，在创建线程后，要对它“负责到底”

• thread::join()：让主线程等待直到该子线程执行结束。注意，这个接口调用后，线程属性就从joinable变为join，同时已经执行结束的线程是不能被joinable的，所以规范的操作应当是，调用接口前先调用joinable()接口来判断是否可以执行join
• thread::detach：将当前线程对象所代表的执行实例与该线程对象分离，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。一定要注意，分离后，有可能主线程执行结束并已经将相关资源释放，而子线程仍在继续执行，因此如果你的程序不能保证子线程一定在主线程执行后结束，请慎用

线程安全问题

mutex的提出

涉及线程，线程安全是一定提出的话题，关于线程安全不在该文章赘述。C++11提出了mutex相关内容，使用要包含头文件《mutex》

举个例子：

#include
#include
#include

using namespace std;

mutex m;
int cnt = 10;

void thread1() {
    while (cnt > 5){
        m.lock();
        if (cnt > 0) {
            --cnt;
            cout << cnt << endl;
        }
        m.unlock();
    }
}

void thread2() {
    while (cnt > 0) {
        m.lock();
        if (cnt > 0) {
            cnt -= 10;
            cout << cnt << endl;
        }
        m.unlock();
    }
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    thread th1(thread1);   //实例化一个线程对象th1，该线程开始执行
    thread th2(thread2);
    th1.join();
    th2.join();
    cout << "main..." << endl;
    return 0;
}

最优的使用方法：std::lock_guard

提起线程会引发线程安全，而提出锁则一定引发死锁相关内容，为了避免该问题发生，C++提出了std::lock_guard，利用RAII思想来规避

使用方法很简单，在需要上锁的地方，将声明的mutex锁交给std::lock_guard管理，它的构造会自动帮助你上锁，而在代码执行完后即对象析构时，会自动解锁，避免了死锁的出现，在实际开发中，应多用这种方式。

看个例子：

#include
#include
#include

using namespace std;

mutex m;
int cnt = 10;

void thread1() {
    while (cnt > 5){
        lock_guard<mutex> lockGuard(m);
        if (cnt > 0) {
            --cnt;
            cout << cnt << endl;
        }
    }
}

void thread2() {
    while (cnt > 0) {
        lock_guard<mutex> lockGuard(m);
        if (cnt > 0) {
            cnt -= 10;
            cout << cnt << endl;
        }
    }
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    thread th1(thread1);   //实例化一个线程对象th1，该线程开始执行
    thread th2(thread2);
    th1.join();
    th2.join();
    cout << "main..." << endl;
    return 0;
}

std::async

std::async的提出

主要为了解决thread相关的以下几点：

std::async可以直接拿到线程执行结果；
std::async可以避免线程创建失败的情况；
std::async可以手动触发；

使用方法、语法

原型：

template<class Fn, class... Args>
future<typename result_of<Fn(Args...)>::type> async(launch policy, Fn&& fn, Args&&...args);

std::async中的第一个参数是启动策略，它控制std::async的异步行为，我们可以用三种不同的启动策略来创建std::async

• ·std::launch::async
  保证异步行为，即传递函数将在单独的线程中执行
• std::launch::deferred
  当其他线程调用get()来访问共享状态时，将调用非异步行为
• std::launch::async | std::launch::deferred
  默认行为。有了这个启动策略，它可以异步运行或不运行，这取决于系统的负载，但我们无法控制它。

通常情况下，我们使用get配合异步操作，看下面的伪代码

std::future<std::string> resultFromDB = std::async(std::launch::async, fetchDataFromDB, "Data");
 
	//从文件获取数据
	std::future<std::string> fileData = std::async(std::launch::deferred, fetchDataFromFile, "Data");
 
	//直到调用get函数fetchDataFromFile才开始执行
	std::string FileData = fileData.get();
	//如果fetchDataFromDB()执行没有完成，get会一直阻塞当前线程
	std::string dbData = resultFromDB.get();

区别在于：get()+std::launch::async(异步)，调用get时异步开始进行，并且不会影响当前线程；get()+std::launch::deferred，当该异步函数没有执行结束，get会一直阻塞当前线程

std::async和std::thread最明显的不同，就是async有时候并不创建新线程。

• 如果你用std::launch::deferred来调用async会怎么样？
  std::launch::deferred延迟调用，并且不创建新线程，延迟到future对象调用 get()或者 wait()
  的时候才执行mythread()。 如果没有调用get或者wait，那么这个mythread()不会执行。
• std::launch::async：强制这个异步任务在新线程上执行，这 意味着，系统必须要给我创建出新线程来运行mythread()。
• std::launch::async | std::launch::deferred，这里这个 | ：意味着调用async的行为可能是
  “ 创建新线程并立即执行” 或者 没有创建新线程并且延迟到调用 result.get()才开始执行任务入口函数，两者居其一。
• 不带额外参数，只给async函数一个 入口函数名： 默认值应该是std::launch::async |
  std::launch::deferred；和c)效果完全一致。
  换句话说：系统会自行决定是异步(创建新线程)还是同步（不创建新线程）方式运行。

二者的使用区别

std::thread创建线程，如果系统资源紧张，创建线程失败，那么整个程序就会报异常崩溃(有脾气)。
std::thread创建线程的方式，如果线程返回值，你想拿到这个值也不容易

std::async创建异步任务。可能创建也可能不创建线程。
std::async调用方法很容易拿到线程入口函数的返回值。