C++线程库

1.简单介绍

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。要使用标准库中的

线程，必须包含< thread >头文件。

常用函数	功能
thread()	构造一个线程对象，没有关联任何线程函数，即没有启动任何线程
get_id()	获取线程id
join()	该函数调用后会阻塞住线程，当该线程结束后，主线程继续执行
detach()	在创建线程对象后马上调用，用于把被创建线程与线程对象分离开，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
joinable()	线程是否还在执行，joinable代表的是一个正在执行中的线程。

注意：

1. 线程是操作系统中的一个概念，线程对象可以关联一个线程，用来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。

3.get_id()的返回值类型为id类型，id类型实际为std::thread命名空间下封装的一个类。

4.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。

5. 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，转移期间不意向线程的执行。

6. 可以通过joinable()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join或者detach结束

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

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;
}

2.线程函数的参数

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。

注意：如果是类成员函数作为线程参数时，必须将this作为线程函数参数。

3.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。比如：

#include 
using namespace std;
#include 
unsigned long sum = 0L;
void fun(size_t num)
{
 for (size_t i = 0; i < num; ++i)
 sum++;
}
int main()
{
 cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;
 thread t1(fun, 10000000);
 thread t2(fun, 10000000);
 t1.join();
 t2.join();
 cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
 return 0;
}

C++98中传统的解决方式：可以对共享修改的数据可以加锁保护。

#include 
using namespace std;
#include 
#include 
std::mutex m;


void fun(size_t num)
{
 for (size_t i = 0; i < num; ++i)
 {
     m.lock();
     sum++;
     m.unlock();
 }
}

虽然加锁可以解决，但是加锁有一个缺陷就是：只要一个线程在对sum++时，其他线程就会被阻

塞，会影响程序运行的效率，而且锁如果控制不好，还容易造成死锁。

因此C++11中引入了原子操作。所谓原子操作：即不可被中断的一个或一系列操作，C++11引入

的原子操作类型，使得线程间数据的同步变得非常高效。

注意：需要使用以上原子操作变量时，必须添加头文件

#include 
using namespace std;
#include 
#include 
atomic_long sum{ 0 };
void fun(size_t num)
{
 for (size_t i = 0; i < num; ++i)
 sum ++;   // 原子操作
}
int main()
{
 cout << "Before joining, sum = " << sum << std::endl;
 thread t1(fun, 1000000);
 thread t2(fun, 1000000);
 t1.join();
 t2.join();
 
 cout << "After joining, sum = " << sum << std::endl;
 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

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。

4.mutex

在C++11中，Mutex总共包了四个互斥量的种类：

（1）. std::mutex

C++11提供的最基本的互斥量，该类的对象之间不能拷贝，也不能进行移动。mutex最常用

的三个函数：

常用函数名	函数功能
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)

（2）. 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。

（3）. std::timed_mutex

（4）. std::recursive_timed_mutex

4.1 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;
};

通过上述代码可以看到，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。

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。

4.2 unique_lock

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)。

5.condition_variable

用来进行线程之间的互相通知。condition_variable和Linux posix的条件变量并没有什么大的区别，主要还是面向对象实现的。

#include 
#include 
#include 
void two_thread_print()
{
     std::mutex mtx;
     condition_variable c;
     int n = 100;
     bool flag = true;
     thread t1([&](){
     int i = 0;
     while (i < n)
     {
         unique_lock lock(mtx);
         c.wait(lock, [&]()->bool{return flag; });
         cout << i << endl;
         flag = false;
         i += 2; // 偶数
         c.notify_one();
     }
 }
});
 thread t2([&](){
 int j = 1;
 while (j < n)
 {
     unique_lock lock(mtx);
     c.wait(lock, [&]()->bool{return !flag; });
     cout << j << endl;
     j += 2; // 奇数
     flag = true;
     c.notify_one();
 }
 });

 t1.join();
 t2.join();
}
int main()
{
     two_thread_print();
     return 0;
}