C++11线程库简介

前言

        在c++11之前涉及多线程的问题都是和平台相关的，比如windows和linux都有一套自己的接口，这使得代码的可移植性变差。C++11中最重要的特性就是对线程进行了支持，使得C++在编程时不再依赖第三方库，而且原子操作中还引入了原子类的概念，要使用标准库的线程，必须包含头文件，让我们一起来了解一下吧。

目录

1.thread类的简单介绍

2.线程函数参数

3.原子性操作库

4.lock_guard和unique_lock

        4.1mutex的种类

        4.2lock_guard

 4.3unique_lock 

5.例子 

---

1.thread类的简单介绍

        线程类 

         

thread类成员函数说明

函数名	功能
thread()	构建一个线程对象，没有关联任何线程函数，即没有启动任何线程
thread(fn,args1,args2...)	构建一个线程对象，并关联线程函数fn，args1        ，args2，...为线程函数的参数
get_id()	获取线程的id
jionable()	线程是否还在执行，jionable代表一个正在执行中的线程
jion()	该函数调用后会阻塞住线程，该线程执行结束后，主线程继续执行。
detach（）	在创建线程对象后马上调用，用于把被创建的线程与线程对象分离，分离后的线程变为后台线程，创建的线程“死活”就与主线程无关了

        注意：

        1.线程是操作系统的一个概念，线程对象可以关联一个线程，用于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。

#include
int main()
{
	std::thread t1;
	cout << t1.get_id() << endl;
	return 0;
}

        get_id()的返回值是一个id类，id类型实际上为std::thread命名空间下封装的一个类，该类中包含一个结构体：

        // 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，并且给出线程关联的线程函数，该线程就被启动了，与主线程一起运行。线程函数一般情况下可以按照以下三种提供方式。

        1.函数指针

        2.lambda表达式

        3.函数对象 

        

void ThreadFunc(int a)
{
	cout << "ThreadFunc" << a << endl;
}
class TF
{
public:
	void operator()()
	{
		cout << "Thread3" << endl;
	}
};
#include
int main()
{
	//线程函数为函数指针
	std::thread t1(ThreadFunc,10);
	//线程函数为lambda表达式
	thread t2([]() {cout << "Thread2" << endl;});
	//线程函数为函数对象
	TF tf;
	thread t3(tf);

	t1.join();
	t2.join();
	t3.join();
	cout << "Mian thread" << endl;
	return 0;
}

         4.thread类是防拷贝的，不允许拷贝构造和赋值，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，转移期间不影响线程的执行。

        5.可以通过判断joinable（）函数，判断线程是否有效，如果在一下任意情况下，则线程是无效的

        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它对象

        线程已经调用join或者detach结束

2.线程函数参数

        线程函数的参数是以值拷贝的方式拷贝到线程空间的，因此即使线程参数为引用类型，在线程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。

#include
void ThreadFuncT1(int&  x)
{
	x = x + 10;
}
void ThreadFuncT2(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，因为线程函数虽然是引用方式，但是其实引用的是线程栈中的拷贝
	thread t1(ThreadFuncT1, a);
	t1.join();
	cout << a << endl;
	//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(ThreadFuncT1, std::ref(a));
	t2.join();
	cout << a << endl;

	//地址拷贝
	thread t3(ThreadFuncT2, &a);
	cout << a << endl;
	t3.join();
	//ruhou
	return 0;

}

         注意：如果是类的成员函数作为线程参数的时候，必须将this指针作为线程函数参数。

3.原子性操作库

        多线程最主要的问题就是数据共享带来的问题（即线程安全的问题）。如果共享数据都是只读的，那么没有什么问题，因为只读操作不会影响到数据，更不会涉及对数据的修改，所以所有的线程都会获得同样的数据。但是，当一个或者多个线程要对数据进行修改共享数据的时候，就会产生很多潜在的麻烦。比如：

#include
#include
using namespace std;
unsigned long sum = 0L;


int main()
{
	cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;
	int sum = 0;
	thread t1([&](int num) {for (int i = 0; i < num; ++i)
	{
		++sum;
	}}, 10000000);
	thread t2([&](int num) {for (int i = 0; i < num; ++i)
	{
		++sum;
	}}, 10000000);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

        这样加起来的结果是不准确的。

        C++98中会采取传统的方式解决：可以对共享修改的数据进行加锁保护。

#include
#include
#include
using namespace std;
unsigned long sum = 0L;


int main()
{
	std::cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;
	int sum = 0;
	mutex mu;
	thread t1([&](int num) {for (int i = 0; i < num; ++i)
	{
		mu.lock();//加锁
		++sum;
		mu.unlock();//解锁
	}}, 10000000);
	thread t2([&](int num) {for (int i = 0; i < num; ++i)
	{
		mu.lock();//加锁
		++sum;
		mu.unlock();//解锁
	}}, 10000000);
	t1.join();
	t2.join();
	std::cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

        虽然加锁可以解决这个问题，但是代码的运行效率会很慢，而且如果一个线程正在访问sum其他想要访问sum的线程就会被阻塞。会影响程序的运行效率。而且如果锁控制不好，还容易造成死锁。

        因此在C++11中 引入了原子操作。所谓的原子操作：即不可被中断的一个或者一系列的操作。C++11引入原子操作类型，使得线程间的数据同步变得非常高效。

        注意：使用以上的原子操作变量的时候，必须添加头文件。

int main()
{
	std::cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;
	atomic_int sum = 0;//原子类型的变量sum
	mutex mu;
	thread t1([&](int num) {for (int i = 0; i < num; ++i)
	{
	
		++sum;
		
	}}, 10000000);
	thread t2([&](int num) {for (int i = 0; i < num; ++i)
	{
		++sum;
	}}, 10000000);
	t1.join();
	t2.join();
	std::cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

         在C++11中，程序员不需要对原子类型的变量进行加锁解锁的操作，线程能够对原子变量互斥访问。

        更为普遍的是，程序员可以使用atomic类型的模版，定义出需要的任意原子类型。

        atomic t;//声明一个类型为T的原子变量类型

         注意：原子类型通常属于“资源型数据”，多个线程只允许访问单个原子类型的拷贝，因此在C++11中，原子类型只能从模版参数中进行构造，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atomic模版类中拷贝构造，赋值运算符重载，移动构造全都进行了删除。

int main()
{
	atomic a1;
	//会报错
	atomic a2(a1);
	atomic a3;
	a3 = a1;
	return 0;
}

4.lock_guard和unique_lock

        在多线程的环境， 如果想要保证某个变量的安全性，只要将其设置为对应的原子类型就可以了，高效又不容易出现死锁的问题。但是在某些情况下：我们可能需要保证一段代码的安全性，那么就需要通过锁的方式来进行控制。

        比如一个线程对变量number进行加1 ，100次，另外一个-1,100次，每次加减以后都要输出number的值。要求最后number的值为1；

int main()
{
	
	int number = 1;
	mutex mu;
	thread t1([&](int num) {for (int i = 0; i < num; ++i)
	{
		mu.lock();
		++number;
		cout << number << endl;
		mu.unlock();
	}}, 100);
	thread t2([&](int num) {for (int i = 0; i < num; ++i)
	{
		mu.lock();
		--number;
		cout << number << endl;
		mu.unlock();
	}}, 100);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << number << endl;
}

        上述代码存在一定的缺陷：如果锁控制不好，可能会造成死锁，最常见的比如在锁的中间返回，或者还没有解锁就抛异常了，因此C++11采用RALL的方式对锁进行封装，即lock_guard和unique_lock。 

        4.1mutex的种类

        在C++11中mutex总共包含四种互斥量的种类：

        1.std::mutex

        C++11提供的最基本的互斥量，该类的对象之间不能互相拷贝，也不能进行移动 ，mutex最常用的三个函数：

函数声明	函数功能
lock()	加锁
unlock（）	解锁
try_lock()	尝试锁住互斥量，如果互斥量被其它线程占有，则当前线程也不会被阻塞

        注意:

        线程函数调用lock（）时，可能会出现一下三种情况：

        1.如果该互斥量没有被锁住，则线程会将该互斥量锁住，直到调用unlock（）之前，该线程都是有锁的。

        2.如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前的调用线程会被阻塞。

        3.如果当前互斥量已经被其他线程锁住则会造成死锁。

        线程调用try_lock()时，可能会发生一下三种情况：

        1.如果当前互斥量没有被其它线程占用，则该线程锁住该互斥量，直到该线程调用unlock（）解锁释放互斥量。

        2.如果当前被其它线程占用，则调用线程返回false，并且不会阻塞。

        3.如果当前互斥量被当前线程锁住，则会造成死锁。

        2.std::recursive_mutex

        其允许同一个线程对互斥量多次上锁（即递归锁），来获得对互斥对象的对层所有权，释放互斥量时，需要调用与该锁层次深度相同的unlock(),除此之外std：：recursive_mutex的特性和std::mutex的特性大致相同。

        3.std::timed_mutex

        比std::mutex 多了两个成员，try_lock_for(),try_lock_until()。

        try_lock_for: 

        接受一个时间范围，表示在这段时间范围之内如果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直接返回false，如果在此期间其它线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，如果超时（即在指定的时间内没有获得锁），则返回false。

        try_lock_until()

        接收一个时间点作为参数，在指定的时间点未到来之前线程如果没有获得锁则被阻塞，如果在此期间其它线程释放了锁，则该线程可以获得互斥量的锁，如果超时（即在指定的饿时间内还没有获得锁），则返回false。

        4.std::recursive_timed_mutex 

        4.2lock_guard

        std::lock_guard时C++中定义的模版类，定义如下：

    template
	class lock_guard
	{
	public:
		//构造之前mu还未加锁
		explicit lock_guard(Mutex& mu)
			:_mu(mu)
		{
			_mu.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)
        {}
		//析构函数进行解锁
		~lock_guard()
		{
			_mu.unlock();
		}
		//不允许拷贝构造和赋值
		lock_guard(const Mutex& mu) = delete;
		Mutex& operator()(const Mutex& mu) = delete;
	private:
		Mutex & _mu;
	};

        通过上述代码我们可以看到，lock_guard类模板主要通过RAII的方式，对其管理的互斥量进行封装，在需要加锁的地方，只需要对上述介绍的任意互斥的体实例化一个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，调用析构函数完成解锁的过程。因为析构函数是对象声明周期结束以后自动调用的，所以可以自动解锁，这样就有效的避免了死锁问题。

        lock_guard的缺陷是太过单一，用户没有办法对该锁进行控制，因此C++11又提供unique_lock. 

 4.3unique_lock 

        与lock_gard类似，unique_lock类模板也采用 RAII的方式对锁将进行封装，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（或者移动（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对象负责传入一个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对象销毁自动调用析构函数对锁进行解锁。可以很方便防止死锁问题。

       与lock_gard不同的是，unique_lock更加的灵活，提供了更多的成员函数：

        1.上锁/解锁操作：lock、try_lock,try_lock_for,try_lock_until和unlock。

        2.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）

        3.获取属性：owns_lock(返回当前对象是否上锁)，operator bool（）（与owns_lock()功能相同），mutex（返回当前unique_lock所管理的互斥量的指针）。

5.例子 

        支持两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数。

        主要是依靠条件变量加互斥量来实现的。 

#include
int main()
{
	int n = 1000;
	//创建两个锁和两个条件变量
	mutex mu1;
	mutex mu2;
	condition_variable cv1;
	condition_variable cv2;

	thread t1([&]() {for (int i = 0; i < n; i+=2)
		{
		unique_lockmut1(mu1);
			cout << i << endl;
        //打印之后通知另一个进程，然后自己也等待通知
		cv2.notify_one();
		cv1.wait(mut1);
		}
	});
	thread t2([&]() {for (int i = 1; i < n; i += 2)
		{
		unique_lockmut2(mu2);
        //等待进程的通知
		cv2.wait(mut2);
			cout << i << endl;
        //打印完后通知另一个进程
		cv1.notify_one();
		}
	});

	t1.join();
	t2.join();
	return 0;
}