【C++11】多线程库 {thread线程库，mutex互斥锁库，condition_variable条件变量库，atomic原子操作库}
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。
//在C++98标准下，实现可移植的多线程程序 —— 条件编译
#ifdef _WIN32
CreateThread(); //在windows系统下，调用windows多线程接口
//......
#elif __linux__
pthread_create(); //在linux系统下，调用pthread线程库接口
//......
#endif
C++11中最重要的特性就是对多线程编程进行了支持，而且还引入了原子操作和原子类。
- 使得C++在并行编程时不需要依赖第三方库，thread库底层使用条件编译封装各种平台的多线程接口，增加了C++代码的可移植性。
- 将多线程接口封装成了类，体现了面向对象的程序设计方法。
一、thread 线程库
注意：要使用C++11标准库中的多线程接口，必须包含< thread >头文件。
1.1 成员函数介绍
thread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。
| thread类成员函数 | 对应的pthread库函数 | 函数功能 | 使用方法 |
|---|---|---|---|
| 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 | thread类的默认构造，并没有创建出子线程。 |
| template |
pthread_create(); | 构造一个线程对象，并关联线程函数fn；args1，args2，…为线程函数的参数 | 万能应用和可变参数模板：线程函数fn可以传函数指针，函数对象，lambda表达式；线程函数的参数可以传任意类型，任意数量。 |
| get_id(); | pthread_self(); | 获取线程id | get_id的返回值是自定义类型thread::id，id类重载了所有的关系运算符和流插入运算符(<<)，用于比较和输出线程id。如果不想通过thread类成员函数获取线程id，可以调用全局函数this_thread::get_id() |
| join(); | pthread_join(); | 阻塞等待子线程 | —— |
| joinable(); | —— | 检查线程是否可以被join：如果线程已经被join或者已经被detach，则该函数返回false，否则返回true。 | 如果该函数返回true，那么我们可以安全地调用join()函数来等待线程结束。如果该函数返回false，那么我们应该避免调用join()函数，否则会导致程序崩溃。 |
| detach(); | pthread_detach(); | 分离子线程，它的资源将在线程结束时自动释放，无需其他线程调用join函数来等待它的结束。 |
—— |
线程对象的创建
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。
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
线程对象的移动
thread类是防拷贝的，不允许拷贝构造以及拷贝赋值，因为拷贝线程是没有实际意义的。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。
移动构造和移动赋值的意义：分离线程的创建和启动，可以先使用默认构造创建一个空线程对象，再在合适的时候使用移动赋值关联线程函数，启动线程。
测试程序：
// 创建多个线程求1~n的和：
int main()
{
int m = 0;
cin >> m;创建一个空线程对象
vector<thread> vthds(m); // 调用thread类的默认构造，创建m个空线程对象
vector<int> nums(m, 0);
for (auto &e : nums)
{
cin >> e;
}
for (int i = 0; i < m; ++i)
{
// 调用thread类的移动赋值关联线程函数，启动线程
// 这里用lambda表达式充当线程函数
vthds[i] = thread([](int num){
int sum = 0;
for(int j = 1; j <= num; ++j)
{
sum += j;
}
//调用全局函数this_thread::get_id获取线程id
cout << "[" << this_thread::get_id() << "]: " << sum << endl; },
nums[i]);
}
for (auto &t : vthds) // thread类禁用拷贝构造，所以必须加引用
{
t.join();
}
}
运行结果：
判断线程对象是否有效
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
1.2 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。
// 线程函数的参数
#include 运行结果：
std::ref()函数模板，用于保存变量的引用
1.3 this_thread 命名空间
this_thread是一个访问当前线程的函数集合
-
get_id：返回当前线程的线程ID -
sleep_until：该线程休眠到某个时间点（绝对时间）参数：chrono::time_point类模板的实例化类型
用法：sleep_until - C++ Reference (cplusplus.com)
-
sleep_for：该线程休眠持续某个时间段（相对时间）参数：chrono::duration类模板的实例化类型
用法：
std::this_thread::sleep_for (std::chrono::seconds(1)); // 调用线程休眠1秒提示：chrono既是头文件，又是命名空间
-
yield：主动出让线程的时间片
二、mutex 互斥锁库
2.1 4个互斥量类型
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：
// mutex
int main()
{
mutex mtx;
int x = 0;
int n = 100000;
auto threadfunc = [&, n]()
{
mtx.lock();
for (int i = 0; i < n; ++i)
{
++x;
}
mtx.unlock();
};
thread t1(threadfunc);
thread t2(threadfunc);
t1.join();
t2.join();
cout << x << endl;
return 0;
}
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。
测试程序：
// recursize_mutex
int x = 0;
void threadfunc(int n, recursive_mutex *mtx)
{
if(n == 0)
return;
mtx->lock();
++x;
threadfunc(n-1, mtx); //允许同一个线程对互斥量多次上锁（即递归上锁）
mtx->unlock(); //释放互斥量时需要调用与该锁层次深度相同次数的 unlock()
}
int main()
{
recursive_mutex mtx; //定义一个递归互斥锁
thread t1(threadfunc, 100000, &mtx);
thread t2(threadfunc, 200000, &mtx);
t1.join();
t2.join();
cout << x << endl;
return 0;
}
- std::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
结合recursive_mutex和timed_mutex的特点，不做介绍。
2.2 lock_guard
手动加锁，解锁的缺陷：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。
std::lock_gurad 是 C++11 中定义的模板类。定义如下：
template<class _Mutex>
class lock_guard
{
public:
// 在构造lock_gard时加锁
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)
{}
// 在析构lock_guard时解锁
~lock_guard() _NOEXCEPT
{
_MyMutex.unlock();
}
// lock_guard不允许拷贝
lock_guard(const lock_guard&) = delete;
lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
_Mutex& _MyMutex; //注意：互斥锁不支持拷贝，所以成员变量是互斥锁的引用
};
- 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。
2.3 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。
// lock_guard && unique_lock
int x = 0;
mutex mtx;
void threadfunc(int n)
{
for (int i = 0; i < n; ++i)
{
try
{
// mtx.lock();
// lock_guard和unique_lock会在构造时加锁，析构时解锁
// lock_guard lock(mtx);
unique_lock<mutex> lock(mtx);
++x;
// 抛异常，会跳过unlock函数使程序不能继续执行
if (rand() % 3 == 0)
{
throw exception();
}
// mtx.unlock();
}
catch (const exception &e)
{
cerr << "抛异常" << endl;
}
};
}
int main()
{
srand((unsigned int)time(nullptr));
thread t1(threadfunc, 10);
thread t2(threadfunc, 20);
t1.join();
t2.join();
cout << x << endl;
return 0;
}
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)。
三、condition_variable 条件变量库
本节主要演示了condition_variable的使用，condition_variable熟悉我们linux课程已经讲过了，他们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。
测试程序：
// 1~100，t1打印奇数，t2打印偶数
int main()
{
mutex mtx;
int x = 1;
int n = 12345;
// 1个共享资源，相同条件（奇或偶），定义1个条件变量
condition_variable cv;
// 创建并启动2个子线程
thread t1([&, n]()
{
while (x<=n)
{
unique_lock<mutex> lock(mtx);
// if(x > n) break; // 错误
// wait参数：unique_lock, 通关条件
cv.wait(lock, [&x](){return x%2 == 1;});
// 等效的实现方法：
// while (!(x % 2 == 1)) // 防止伪唤醒
// {
// cv.wait(lock);
// }
if(x > n) break; // 条件判断必须放在wait之后
cout << "[t1]" << ":" << x << endl;
++x;
cv.notify_one();
} });
thread t2([&, n]()
{
while(x<=n)
{
unique_lock<mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, [&x](){return x%2 == 0;});
// 等效的实现方法：
// while(!(x%2 == 0)) // 阻塞条件
// {
// cv.wait(lock);
// }
if(x > n) break;
cout << "[t2]" << ":" << x << endl;
++x;
cv.notify_one();
} });
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
运行结果：
如何确定条件变量的数量？
对于确定条件变量的数量，一般是根据要控制的共享资源或者线程的数量来确定的。如果有多个共享资源或者多个线程需要等待不同的条件来执行，就需要相应数量的条件变量。
如果要控制多个线程对同一个共享资源的访问，可以使用一个条件变量来控制所有线程的等待和唤醒。如果需要不同的条件来控制不同的线程，就需要针对不同的条件使用不同的条件变量。
总结：1个共享资源 + 相同条件 = 1个条件变量
四、atomic 原子操作库
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。
对此，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。虽然加锁可以解决，但是加锁有一个缺陷就是：临界区代码必须串行执行，只要一个线程在执行临界区代码时，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（CAS）。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。
4.1 atomic库中的内置原子类型
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。
#include atomic库中的内置原子类型实际上是atomic类模板的实例化类型。
注意：需要使用以上原子操作变量时，必须添加头文件
4.2 atomic类模板
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。
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。
#include a2(a1); // 编译失败
atomic<int> a2(0);
//a2 = a1; // 编译失败
return 0;
}
4.3 原子操作的原理及应用
CAS（Compare and Swap）操作是一种原子操作，用于实现并发控制。它的原理是：
- 读取共享变量的值。
- 比较共享变量的值与期望值是否相等，如果相等则执行第4步，否则执行第3步。
- 放弃操作，重新读取共享变量的值，然后再次比较。
- 将新值写入共享变量。
CAS操作的关键在于比较共享变量的值与期望值是否相等，如果相等则说明共享变量没有被其他线程修改，可以执行写入操作。如果不相等则说明共享变量已经被其他线程修改，需要重新读取共享变量的值并再次比较。这样就可以保证对共享变量的操作是原子的，避免了并发问题。
详细内容请阅读陈浩老师的文章：无锁队列的实现 {CAS操作的原理，无锁队列的链表实现，CAS的ABA问题，无锁队列的数组实现}-CSDN博客
4.4 加锁 VS 原子操作
加锁和原子操作都是用于处理多线程并发访问共享资源的工具，它们各自有一些优势和适用场景。
加锁的优点：
- 灵活性：锁提供了更灵活的线程同步机制，可以精确控制临界区的范围，避免不必要的同步。
- 可以实现复杂的线程同步逻辑：锁可以实现复杂的线程同步逻辑，比如读写锁、重入锁等，满足不同场景下的需求。
- 可以避免ABA问题：在一些情况下，锁能够避免CAS操作中可能出现的ABA问题。
原子操作的优点：
- 性能：原子操作通常比加锁的方式具有更好的性能，因为它们通常使用底层硬件指令或者CAS操作来实现，避免了线程阻塞和用户态内核态切换的开销。
- 简单性：原子操作通常比加锁的方式更简单，使用起来更加方便，不容易出现死锁等问题。
- 可见性：原子操作通常能够保证操作的可见性，确保对共享变量的操作对其他线程是可见的。
在实际应用中，应根据具体的需求和场景来选择使用加锁还是原子操作。通常情况下，如果需要实现简单的原子操作，比如自增、自减等操作，原子操作是更好的选择；而如果需要复杂的线程同步逻辑或者需要精确控制临界区的范围，加锁是更合适的选择。