C++11 -- 线程库
目录
前言
线程库（thread）
构造方式
无参构造
移动赋值与移动构造
带参的构造函数
线程函数参数问题
互斥量库(mutex)
std::mutex
std::recursive_mutex
std::timed_mutex
std::recursive_timed_mutex
lock_guard
unique_lock
原子性操作库（atomic）
条件变量库（condition_variable）
实现两个线程交替打印
前言
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。
C++11大致增加了五个库，其中常见的有：线程库（thread）、互斥量库（mutex）、原子性操作库（atomic）、条件变量库（condition_variable）
线程库（thread）
要使用标准库中的线程，必须包含
构造方式
第一个是无参的构造函数，调用无参的构造函数创建出来的线程对象没有关联任何线程函数，即没有启动任何线程
第二个是带参的构造函数，调用带参的构造函数创建线程对象，能够将线程对象与线程函数fn进行关联，args是函数的参数。
第三个是拷贝构造函数，线程是禁止拷贝的
第四个是移动构造函数，能够使用一个右值线程对象来构造一个线程对象
thread中常用的成员函数介绍如下：
detach：对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，分离后的线程不用再进行等待，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
join：对该线程进行等待，在等待的线程返回之前，调用join函数的线程将会被阻塞
joinable线程是否还在执行，joinable代表的是一个正在执行中的线程
get_id：获取该线程的id
无参构造
创建一个无参的线程如下：
thread t1;
调用无参的构造函数创建出来的线程对象没有关联任何线程函数，即没有启动任何线程。
无参构造使用场景：在线程池中就是首先需要先创建一批线程，但一开始这些线程什么也不做，当有任务到来时再让这些线程来处理这些任务
移动赋值与移动构造
thread提供了移动赋值函数，后续需要让该线程对象与线程函数关联时，可以使用带参的方式创建一个匿名对象，然后调用移动赋值将该匿名对象关联线程的状态转移给该线程对象。
void func(int n)
{
for (int i = 0; i < n; i++)
{
cout << i << endl;
}
}
int main()
{
thread t1;//无参构造
t1 = thread(func, 20);//匿名对象移动赋值
thread t2 = thread(func, 10);
t1.join();//线程等待
t2.join();
return 0;
}thread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，转移期间不影响线程的执行
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
带参的构造函数
template
explicit thread (Fn&& fn, Args&&... args);
参数：
- fn：可调用对象，比如函数指针、仿函数、lambda表达式、被包装器包装后的可调用对象等
- args：调用可调用对象fn时所需要的若干参数
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。线程函数一般情况下可按照以下三种方式提供：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
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 << "Main thread!" << endl;
return 0;
}获取线程id（get_id）
调用thread的成员函数get_id以获取线程的id，但该方法必须通过线程对象来调用get_id函数，如果要在线程对象关联的线程函数中获取线程id，必须要使用 this_thread::get_id()，this_thread是一个命名空间
void func()
{
cout << this_thread::get_id() << endl; //获取线程id
}
int main()
{
thread t(func);
cout << t.get_id() << "\n";
t.join();
return 0;
}this_thread命名空间的四个方法
线程函数参数问题
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
void ThreadFunc1(int x)
{
x++;
}
int main()
{
int a = 10;
// 在线程函数中对a修改，不会影响外部实参
thread t1(ThreadFunc1, a);
t1.join();
cout << a << endl;
return 0;
}如果要通过线程函数的形参改变外部的实参，可以参考以下三种方式：借助std::ref函数、地址的拷贝、lambda表达式
void ThreadFunc1(int& x)
{
x++;
}
void ThreadFunc2(int* x)
{
*x += 10;
}
int main()
{
int a = 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 t1(ThreadFunc1, std::ref(a));
t1.join();
cout << a << endl;
// 地址的拷贝
thread t2(ThreadFunc2, &a);
t2.join();
cout << a << endl;
return 0;
}启动一个线程后，当这个线程退出时，需要对该线程所使用的资源进行回收，否则可能会导致内存泄露等问题。thread库给我们提供了如下两种回收线程资源的方式：线程等待（join）、线程分离（detach）
互斥量库(mutex)
要使用互斥量，必须包含
在C++11中，Mutex总共包了四个互斥量的种类
std::mutex
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
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：
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)
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
std::timed_mutex
特性和 std::mutex 大致相同，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
std::recursive_timed_mutex
ecursive_timed_mutex就是recursive_mutex和timed_mutex的结合，recursive_timed_mutex既支持在递归函数中进行加锁操作，也支持定时尝试申请锁
mutex mtx;
int x = 0;
//两个线程去一起对x加n次
void Add(int n) {
mtx.lock();
for (int i = 0; i < n; i++)
{
++x;
}
mtx.unlock();
}
int main() {
thread t1(Add, 100000000);
thread t2(Add, 100000000);
t1.join();
t2.join();
cout << x << "\n";
return 0;
}在多线程环境下，如果想要保证某个变量的安全性，只要将其设置成对应的原子类型即可，即高效又不容易出现死锁问题。但是有些情况下，我们可能需要保证一段代码的安全性，那么就只能通过锁的方式来进行控制
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
lock_guard
std::lock_gurad 是 C++11 中定义的模板类。定义如下：
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)
{}
~lock_guard() _NOEXCEPT
{
_MyMutex.unlock();
}
lock_guard(const lock_guard&) = delete;
lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
_Mutex& _MyMutex; // 注意这里是引用，锁不支持拷贝
}; 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。
模拟实现lock_guard
namespace hek
{
template
class lock_guard
{
public:
lock_guard(Mutex& mtx)
:_mtx(mtx)
{
mtx.lock(); //加锁
}
~lock_guard()
{
mtx.unlock(); //解锁
}
lock_guard(const lock_guard&) = delete;
lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
Mutex& _mtx; // 注意这里是引用，锁不支持拷贝
};
} 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_gard类似，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)
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。
//atomic x = 0; // 支持整形/浮点的原子++、--
atomic_int x = 0;
//两个线程去一起对x加n次
void Add(int n) {
for (int i = 0; i < n; i++)
{
++x;
}
}
int main() {
thread t1(Add, 100000000);
thread t2(Add, 100000000);
t1.join();
t2.join();
cout << x << "\n";
return 0;
} 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
atomic x = 0; 注意：
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
条件变量库（condition_variable）
condition_variable中提供的成员函数，可分为wait系列和notify系列两类。
wait系列成员函数的作用就是让调用线程进行阻塞等待，notify系列成员函数的作用就是唤醒等待的线程
注：条件变量是配合互斥量使用的
wait函数提供了两个不同版本的接口：
wait:
- 调用第一个版本的wait函数时只需要传入一个互斥锁，线程调用wait后会立即被阻塞，直到被唤醒。
- 调用第二个版本的wait函数时除了需要传入一个互斥锁，还需要传入一个返回值类型为bool的可调用对象，与第一个版本的wait不同的是，当线程被唤醒后还需要调用传入的可调用对象，如果可调用对象的返回值为false，那么该线程还需要继续被阻塞
notify:
notify_one：唤醒等待队列中的首个线程，如果等待队列为空则什么也不做notify_all：唤醒等待队列中的所有线程，如果等待队列为空则什么也不做
实现两个线程交替打印
实现两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数
int main()
{
int n = 100;
mutex mtx;
condition_variable condv;
bool flag = true;
//奇数
thread t1([&] {
int i = 1;
while (i <= 100)
{
unique_lock ul(mtx);
condv.wait(ul, [&flag]()->bool {return flag; }); //等待条件变量满足
cout << this_thread::get_id() << ":" << i << endl;
i += 2;
flag = false;
condv.notify_one(); //唤醒条件变量下等待的一个线程
}
});
//偶数
thread t2([&] {
int j = 2;
while (j <= 100)
{
unique_lock ul(mtx);
condv.wait(ul, [&flag]()->bool {return !flag; }); //等待条件变量满足
cout << this_thread::get_id() << ":" << j << endl;
j += 2;
flag = true;
condv.notify_one(); //唤醒条件变量下等待的一个线程
}
});
t1.join();
t2.join();
return 0;
}