C++/C# Thread多线程总结

1.背景

       一直都想写一篇关于多线程的文章，总结一下这方面的知识，也为自己和有需要的人提供参考，不再赘述，开始吧，

现在计算机一般都是多核的，4核和8核的比较多件，用于线上计算或专用工作的计算机更是大概率“土豪”级别，如果不充分利用计算机的这一资源，那么将是一种浪费，尤其在现在行业竞争激烈，拼性能

的时代，充分利用有限的计算机资源显得尤为重要，试看一下你用visual studio编译项目时，自己电脑的cpu使用率会多高？没错，接近100%！你所用的开发工具都在充分利用多核资源，节省你开发编译时

的时间，当你在热修复一个问题时，当你在上线前的冲刺时，或者当你在平时的一次普通按F7键时，它都在尽量的高效率运行，尽量节省你的时间。作为开发者，你的用户也是如此，他们需要节省时间，

感受友好的软件使用体验，至少在特定的情况下，如果你的程序恰好提供这种服务，他们将比较舒缓，同时也更可能提升程序的竞争力。

       c++和c#的一起总结下吧，正好也可以对比一下，加深相关知识的理解。

       注意本文可能不会详尽的介绍所有线程相关的知识，但是会结合样例尽量充分的讲述多线程相关技术。

2.多线程技术

2.1.线程类

2.1.1.C++

c++11之后又thread类，同样一些第三方库中也有线程相关类的实现，如boost库，甚至还有一些第三方库实现了线程池（threadPool）类，我们这里只关注std中的thread类，

thread threadItem(work);

//  other work there.

//  Blocks until the associated thread completes.
threadItem.join();  

2.1.2.C#

相对来说c#的.net frameworks中的相关类就多了不少，毕竟c#写起来很流畅，这是有原因的~

创建专有线程，通过Thread类，

t = new Thread(this.Run);
t.Start();

由于线程的创建和销毁需要消耗一定的时间和内存，能不能尽量少的进行创建和销毁的过程，而又可以发挥多线程的优势？想更高效率的使用线程， 让线程持续的工作，做完一个任务，还会继续去执行另外的任务（如果有的话），那么可以使用线程池技术，C#.netframework已经实现了相关类，

ThreadPool.QueueUserWorkItem(ThreadProc);

更高级的封装，将线程池的概念继续进行封装，使用task，用户只需要知道task执行是异步方式就可以了（会使用线程池技术来实现），另外获取task的结果也很方便，甚至还可以给task发信号让它终止执行！是不是很方便？用户无须自己写复杂的实现，只需要调用接口就能达到目的，具体请参考Microsoft文档或《CLR Via C#》。

using System;
using System.Threading.Tasks;

public class Example
{
   public static void Main()
   {
      var t = Task.Run(() =>
      {
          // Just loop.
          int max = 1000000;
          int ctr = 0;
          for (ctr = 0; ctr <= max; ctr++)
          {
              if (ctr == max / 2 && DateTime.Now.Hour <= 12)
              {
                  ctr++;
                  break;
              }
          }

          return ctr;
      });

      Console.WriteLine("Finished {0:N0} iterations.", t.Result);
   }
}
// The example displays output like the following:
//        Finished 1,000,001 loop iterations.

var t = Task.Factory.StartNew(() =>
{
    // Just loop.
    int max = 1000000;
    int ctr = 0;
    for (ctr = 0; ctr <= max; ctr++)
    {
        if (ctr == max / 2 && DateTime.Now.Hour <= 12)
        {
            ctr++;
            break;
        }
    }

    return ctr;
});

Console.WriteLine("Finished {0:N0} iterations.", t.Result);

当然这些类中还有其他的方法，具体请参考MSDN文章（在VS中光标选中相应的类，按F1）、《CLR Via C#》（这本书很经典，大牛著作，会详细又不冗余的讲述.Net FrameWorks中的机制原理及当初为什么这样设计），

Task 类

ThreadPool 类

 已经有了这么高级的封装，还有其他的吗？有的，为了方便开发者使用多线程技术，充分的利用计算机的多核资源，.NetFrameWorks库还实现了一些常用操作的异步版本，如Parallel.ForEach，

Parallel.ForEach

尽情探索吧，

 2.2.互斥锁

互斥锁主要用在多线程需要争夺抢占资源（数据）的场景，对资源（数据）进行加锁，避免多线程同时读写可能发生的不明确行为，使逻辑简单且在逻辑上减少出错的可能性。

这个概念也对应【资源同步】，和【线程同步】是不一样的概念，下文会讲到。

如果两个线程之间不需要任务数据共享，那么它们两个可以自由而独立的运行，这时不需要线程锁；但实际编程中很多多线程使用的场景都需要共享一些数据，如缓存数据，线程a执行某个任务时将key和结果数据存到缓存中，其他线程在执行相同类型的任务时需要去访问缓存数据，看是否已经计算过，如果计算过那直接返回就可以了（避免重复的计算过程），如果没有计算过，那么执行计算过程并将结果数据也写到缓存中，这种很常见的场景就涉及到了资源抢占的问题。

一般来说，多线程环境中对一份数据的访问有几种规则：

• 读和写是相互排斥的，即如果有线程正在读，那么其他线程不能写；同样如果有线程在写，那么其他线程不能同时读；
• 写和写也是互斥的，即同时只能有一个线程在读（想想为什么git上，两个人同时修改了某个地方的代码，最后合并时会出现冲突）；
• 但读和读是不排斥的，即同时可以有多个线程在读；

接来来我们来看c++/c#中锁的使用，

2.2.1.C++

c++中使用锁也有多种方式，除了标准库，一些第三方库也实现了锁，有些库实现的既好用又高效，而足以影响标准库的后续版本；我们这里只看c++17中的，

 mutex，可使用unique_lock来获取锁，离开unique_lock作用域时，它会自动的释放锁，当然可以直接调用mutex的方法，还有其他的方式如std::lock_guard，这里不再介绍，读者可自行查阅相关资料。

bool GetOrCreateObject(...)
{
    //  in this func, you can read or write, and acquire object
    unique_lock uLcM(itemMutex);

    //  here you can do something
}

上述例子是将读和写封装在了一个方法中，因此只需要mutex即可；如果是将读和写放到了不同的方法中，那么下文中的shared_mutex更适用。

shared_mutx，可使用unique_lock、shared_lock来获取和释放锁，相对于mutex，其适用方位更广也更灵活，适用于将读和写操作分开的场景（多线程读写规则见上文），

bool TryToAcquireObject(...)
{
    //  in this func, you can try to read specific object
    shared_lock uLcM(itemMutex);

    //  here you can do something
}

void WriteObjectToCache(object obj, ...)
{
    //  in this func, you can write specific object to cache
    unique_lock uLcM(itemMutex);

    //  here you can do something
}

此外，还有

• std::recursive_mutex ，允许同一线程使用recursive_mutext多次加锁，然后使用相同次数的解锁操作解锁。mutex多次加锁会造成死锁
• std::timed_mutex，在mutex上增加了时间的属性。增加了两个成员函数try_lock_for()，try_lock_until()，分别接收一个时间范围，再给定的时间内如果互斥量被锁主了，线程阻塞，超过时间，返回false。
• std::recursive_timed_mutex，增加递归和时间属性

可参考C++多线程编程，或MSDN文档，

2.2.2.C#

C#中的锁方式很多，可以直接对某个对象lock，也可以使用互斥量Mutex、Monitor等，

Mutex，参阅Microsoft官方文档示例如下，用法和c++的mutex没有本质的区别，

using System;
using System.Threading;

class Example
{
    // Create a new Mutex. The creating thread does not own the mutex.
    private static Mutex mut = new Mutex();
    private const int numIterations = 1;
    private const int numThreads = 3;

    static void Main()
    {
        // Create the threads that will use the protected resource.
        for(int i = 0; i < numThreads; i++)
        {
            Thread newThread = new Thread(new ThreadStart(ThreadProc));
            newThread.Name = String.Format("Thread{0}", i + 1);
            newThread.Start();
        }

        // The main thread exits, but the application continues to
        // run until all foreground threads have exited.
    }

    private static void ThreadProc()
    {
        for(int i = 0; i < numIterations; i++)
        {
            UseResource();
        }
    }

    // This method represents a resource that must be synchronized
    // so that only one thread at a time can enter.
    private static void UseResource()
    {
        // Wait until it is safe to enter.
        Console.WriteLine("{0} is requesting the mutex", 
                          Thread.CurrentThread.Name);
        mut.WaitOne();

        Console.WriteLine("{0} has entered the protected area", 
                          Thread.CurrentThread.Name);

        // Place code to access non-reentrant resources here.

        // Simulate some work.
        Thread.Sleep(500);

        Console.WriteLine("{0} is leaving the protected area", 
            Thread.CurrentThread.Name);

        // Release the Mutex.
        mut.ReleaseMutex();
        Console.WriteLine("{0} has released the mutex", 
            Thread.CurrentThread.Name);
    }
}
// The example displays output like the following:
//       Thread1 is requesting the mutex
//       Thread2 is requesting the mutex
//       Thread1 has entered the protected area
//       Thread3 is requesting the mutex
//       Thread1 is leaving the protected area
//       Thread1 has released the mutex
//       Thread3 has entered the protected area
//       Thread3 is leaving the protected area
//       Thread3 has released the mutex
//       Thread2 has entered the protected area
//       Thread2 is leaving the protected area
//       Thread2 has released the mutex

lock，效果和Mutex一样，用法稍有区别，

object CreateObject(...)
{
    lock(seqLock)
    {
        // here you can do something.
    }
}

接下来看Monitor，其用法和C++的condition_variable很类似（见下文和文章结尾处的总结），好吧，Monitor结合了 获取/释放访问资源的锁（也即临界资源的同步）和线程同步的功能，其作用和提供的功能介于资源同步和线程同步之间。

换句话说就是，

• 可以用Monitor的Enter()、Exit()系列方法来达到对资源上锁的目的，如同Mutex、lock所做的那样；
• 同时在获取了访问权（拿到锁）之后，还可以调用Wait()来释放锁，并把当前线程放到该资源的等待队列中（这个应用场景可能是某个线程拿到了访问权，但发现其所需的其他条件还没有准备好），所以他就等待：释放锁并把自己放到资源的等待队列中，直到所需条件准备好：等待Pulse()或PulseAll()，之后再继续去排队尝试再去获取锁；这个过程很明显的是线程同步的场景。

// Define the lock object.
var obj = new Object();

// Define the critical section.
Monitor.Enter(obj);
try
{
   // Code to execute one thread at a time.
}
// catch blocks go here.
finally
{
   Monitor.Exit(obj);
}

注意：Monitor.Enter()、Monitor.Exit()的对象对除string之外的引用类型是有效的，因为内部实现是需要装箱拆箱，值类型和string类型装箱拆箱之后是拷贝了另一个独立的副本，就导致Enter()和Exit()的对象实际不对应的错误了。

2.3.线程同步

资源同步（锁）和线程同步目的都是 通过同步信息来改变线程的执行情况，来达到逻辑合理，进而保证程序能够正常预期的进行。

和资源同步的 因保护资源访问而调整线程的状态（正常进行或等待）不同（从这个意义上来说这些相关线程做的功能都是一样的，比如上文提到的不同线程做相同的事情），线程同步是线程之间有依赖关系，比如线程b的执行依赖于线程a准备好相关数据。

C++和C#线程同步相关的技术和用法很类似，都是通过发信号类似的操作来达到目的的。

2.3.1.C++

condition_variable，condition_variable功能和用法和C#的Monitor类很类似，在获取锁后可以根据需要调用wait()来等待（此时会释放锁，并把当前线程放到该锁的等待队列中）直到收到信号，才可能去尝试获取锁，这里的可能是根据信号不同而可能或会，比如收到notify_all就一定会去尝试获取锁，notify_one时候是队列中的head去尝试获取锁，

#include                 // std::cout
#include                 // std::thread
#include                 // std::mutex, std::unique_lock
#include     // std::condition_variable

std::mutex mtx; // 全局互斥锁.
std::condition_variable cv; // 全局条件变量.
bool ready = false; // 全局标志位.

void do_print_id(int id)
{
    std::unique_lock  lck(mtx);
    while (!ready) // 如果标志位不为 true, 则等待...
        cv.wait(lck); // 当前线程被阻塞, 当全局标志位变为 true 之后,

    // 线程被唤醒, 继续往下执行打印线程编号id.
    std::cout << "thread " << id << '\n';
}

void go()
{
    std::unique_lock  lck(mtx);
    ready = true; // 设置全局标志位为 true.
    cv.notify_all(); // 唤醒所有线程.
}

int main()
{
    std::thread threads[10];

    // spawn 10 threads:
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
        threads[i] = std::thread(do_print_id, i);

    std::cout << "10 threads ready to race...\n";
    go(); // go!

    for (auto & th:threads)
        th.join();

    return 0;
}

输出如下，

10 threads ready to race...
thread 1
thread 0
thread 2
thread 3
thread 4
thread 5
thread 6
thread 7
thread 8
thread 9

 读者可自行对比condition_variable和C#的Monitor类的用法，加深理解。当然文章结尾处的总结也会总结说明。

condition_variable的wait()还有另一个重载，

void wait(unique_lock& Lck, Predicate Pred);

 相当于执行了下面的代码，

while(!Pred())
    wait(Lck);

只有当Pred()返回false时才会去wait()，此时直到Pred()返回true并且接收到了信号，才会激活然后继续执行，用法示例如下，

#include                 // std::cout
#include                 // std::thread, std::this_thread::yield
#include                 // std::mutex, std::unique_lock
#include     // std::condition_variable

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
 
int cargo = 0;

bool shipment_available()
{
    return cargo != 0;
}

// 消费者线程.
void consume(int n)
{
    for (int i = 0; i < n; ++i)
    {
        std::unique_lock  lck(mtx);
        cv.wait(lck, shipment_available);
        std::cout << cargo << '\n';
        cargo = 0;
    }
}

 

int main()
{
    std::thread consumer_thread(consume, 10); // 消费者线程.

    // 主线程为生产者线程, 生产 10 个物品.
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        while (shipment_available())
            std::this_thread::yield();

        std::unique_lock  lck(mtx);
        cargo = i + 1;
        cv.notify_one();
    }

    consumer_thread.join();

    return 0;
}

输出如下，

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

2.3.2.C#

又讲到了C#，pullllllllll~C#的.Net Frameworks简直实现和封装的太好了，比如C#的线程池技术，task类，还有接下来要讲的，好吧，我们继续~（写文章不容易呀，请不要吝啬你表达态度的机会，觉得好就点赞收藏吧~）

上文中已经提到一种线程同步的方式：使用Monitor类，其功能和用法与C++的condition_variable很类似，请参考上文，另外还有AutoResetEvent和ManulResetEvent这两种信号量机制，主要的方法是set()、reset()、waitone()，前两个是控制信号的发放，后一个是等待信号，适用于不同线程间的信号交流，即线程同步，

我们来看MSDN上的示例，

using System;
using System.Threading;

public class Example
{
    // mre is used to block and release threads manually. It is
    // created in the unsignaled state.
    private static ManualResetEvent mre = new ManualResetEvent(false);

    static void Main()
    {
        Console.WriteLine("\nStart 3 named threads that block on a ManualResetEvent:\n");

        for(int i = 0; i <= 2; i++)
        {
            Thread t = new Thread(ThreadProc);
            t.Name = "Thread_" + i;
            t.Start();
        }

        Thread.Sleep(500);
        Console.WriteLine("\nWhen all three threads have started, press Enter to call Set()" +
                          "\nto release all the threads.\n");
        Console.ReadLine();

        mre.Set();

        Thread.Sleep(500);
        Console.WriteLine("\nWhen a ManualResetEvent is signaled, threads that call WaitOne()" +
                          "\ndo not block. Press Enter to show this.\n");
        Console.ReadLine();

        for(int i = 3; i <= 4; i++)
        {
            Thread t = new Thread(ThreadProc);
            t.Name = "Thread_" + i;
            t.Start();
        }

        Thread.Sleep(500);
        Console.WriteLine("\nPress Enter to call Reset(), so that threads once again block" +
                          "\nwhen they call WaitOne().\n");
        Console.ReadLine();

        mre.Reset();

        // Start a thread that waits on the ManualResetEvent.
        Thread t5 = new Thread(ThreadProc);
        t5.Name = "Thread_5";
        t5.Start();

        Thread.Sleep(500);
        Console.WriteLine("\nPress Enter to call Set() and conclude the demo.");
        Console.ReadLine();

        mre.Set();

        // If you run this example in Visual Studio, uncomment the following line:
        //Console.ReadLine();
    }

    private static void ThreadProc()
    {
        string name = Thread.CurrentThread.Name;

        Console.WriteLine(name + " starts and calls mre.WaitOne()");

        mre.WaitOne();

        Console.WriteLine(name + " ends.");
    }
}

/* This example produces output similar to the following:

Start 3 named threads that block on a ManualResetEvent:

Thread_0 starts and calls mre.WaitOne()
Thread_1 starts and calls mre.WaitOne()
Thread_2 starts and calls mre.WaitOne()

When all three threads have started, press Enter to call Set()
to release all the threads.


Thread_2 ends.
Thread_0 ends.
Thread_1 ends.

When a ManualResetEvent is signaled, threads that call WaitOne()
do not block. Press Enter to show this.


Thread_3 starts and calls mre.WaitOne()
Thread_3 ends.
Thread_4 starts and calls mre.WaitOne()
Thread_4 ends.

Press Enter to call Reset(), so that threads once again block
when they call WaitOne().


Thread_5 starts and calls mre.WaitOne()

Press Enter to call Set() and conclude the demo.

Thread_5 ends.
 */

AutoRestEvent用法和ManulRestEvent用法大同小异，其初始信号是否开启是不一样的，这里不再详细展开，读者可自行去搜索学习~

2.4.其他用法

当然上述讲到的只是一些基本的知识和操作，基于这些知识我们可以用在多种多样的多线程场景中，解决不同的问题，就像基本颜色只有7中，但使用这7中颜色可以表达千千万万的颜色，再比如几何引擎提供了一些基本的几何类和操作，上层应用可以基于这些接口开发功能丰富的建模软件。那么切回到多线程，比如使用c++/c#来并行的处理多个同类型任务，

2.4.1.C++

void CheckVisible()
{
    //  init something there

    //  acquire task to do from task  queue
    while (ThreadUtils::GetOneValidItem(XXX))
    {
        //  do task there
    }
}

void ThreadUtils::Run()
{
    list>> lstFuture;

    for (int i = 0; i < mThreadCountMax; i++)
    {
        packaged_task task(&CheckVisible);
        auto futureItem = make_shared>();
        *futureItem = task.get_future();
        lstFuture.push_back(futureItem);

        thread threadItem(move(task));
        threadItem.detach();
    }

    //  main thread wait all child thread to end there.
    return WaitToGetResult(lstFuture);
}

void ThreadUtils::WaitToGetResult(const list>>& lstFuture)
{
    for (auto itrItem = lstFuture.begin(); itrItem != lstFuture.end(); ++itrItem)
    {
        (*itrItem)->get();
    }
}

bool ThreadUtils::GetOneValidItem(Data*& data)
{
    unique_lock uniqueLock(mMutex);

    if (mDatas.empty())
        return false;

    data = mDatas.back();
    mDatas.erase(--mDatas.end());
    return true;
}

 

2.4.2.C#

public void DoTasks()
{
    var mres = new ManualResetEvent[10];
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
    {
	mres[i] = new ManualResetEvent(false);

	//  do task there

	ThreadPool.QueueUserWorkItem(Excute, i);
    }

    WaitHandle.WaitAll(mres);
}

 

3.参考

1、MSDN相关文章，一如既往的详细且不繁杂，容易理解；

如：ManualResetEvent Class、thread 类 等；

2、C++11并发编程-条件变量(condition_variable)详解
https://blog.csdn.net/lv0918_qian/article/details/81745723
备注：很详细，接近实战；

3、std::this_thread::yield()使用理解
https://blog.csdn.net/ldw614/article/details/79924587
备注：比较生动，容易理解；

4、C# ManualResetEvent 类的用法
https://blog.csdn.net/hmdong7/article/details/83055322
备注：信号，set reset waitone；

5、C# ManualResetEvent使用方法详解
https://www.jb51.net/article/114815.htm

6、C# ManualResetEvent用法
https://www.cnblogs.com/forever-Ys/p/11675953.html
备注：比较容易理解；

7、C++多线程编程
https://blog.csdn.net/u011808673/article/details/80811998
备注：比较全，有一定基础看会更好

8、What is __wchar_t (with the leading double underscores) and why am I getting errors about it?
https://devblogs.microsoft.com/oldnewthing/20161201-00/?p=94836

9、thread Class
https://docs.microsoft.com/en-us/cpp/standard-library/thread-class?view=msvc-160

10、condition_variable Class
https://docs.microsoft.com/en-us/cpp/standard-library/condition-variable-class?view=msvc-160
备注：结合上述文章理解thread.join作用、condition_variable Class作用会更好

4.总结

首先，自己应该多写写文章，如果之前写的多线程的文章多的话，就不用先在这样把技术知识都攒到一起写了，应该可持续的学习和输出，稳定的输出；

多线程相关的逻辑尽量不要太复杂，也不需要很复杂，写的接口/库是线程安全的就可以了；

总结一下condition_variable吧（Monitor也类似）， 

void wait(unique_lock& Lck);
（1）干活的人拿到锁了，等待信号，发现还没发信号，那么他就在原地等待（阻塞）并让出锁，
（2）别人（有机会，并且可以）拿到锁，准备好东西，然后发信号说准备好了，
（3）干活的人再去拿锁，拿到后就开始干活；
（4）简单的两方场景，干活的人依赖另一个人预先做好东西，等另一个人做好了，他就拿到锁，然后专心的干活（期间其他人拿不到锁）

template
void wait(unique_lock& Lck, Predicate Pred);
（1）干活的人拿到锁了，发现指示标志还没下达（等待命令），然后就去wait，释放锁，
（2）如果期间有人发信号说可以开始干了，干活的人还是会去检查有没有下达指令，如果没下达，就继续wait；
（3）直到下达指令的人准备好了，下达了指令，并发信号说可以开始了，那么干活的人才会去拿锁，开始专心的干活；
（4）适用于复杂的关系场景；
比如：通知队伍集合，准备行动，队伍中的每个人准备好了（归队了），都会喊口号（发信号说准备好了），但并不意味着要开始行动，
必须等待指令下达，行动才能开始，如果这期间有人还没准备好，那么指令下达了，也要行动。其实下单指令就是综合判断要不要开始行动的，一般来说就是每个人都准备好了，额外的其他事情也预先准备好，
那么就可以开始了。
再比如：运动员赛跑，每个选手准备好了都会有表示（如果有问题会提出来，没问题就是好了），但是开始时间不一定到了（或者下指令的人正在擦口哨），一切以下指令的人为准，他准备好了，
并且发了信号说开始，那么才能开始，当然这时候不论是否有选手没准备好，比赛都会开始。当然一般来说大家都准备好了（靠下指令的人综合判断，不能瞎指挥，否则可能出现有选手有问题，
仍然下指令开始），所以下指令的人很重要，要综合判断！负好责任。

正如开篇讲到的那样，要充分利用计算机的多核资源是离不开多线程技术的，多线程的方面的技术和知识点以及各语言（如C++、C#）实现的相关类是不同的，并且是详细的，以满足各种场景的需要，因此一篇或几篇文章是很难覆盖到方方面面的，但本文尽可能的将基础知识和C++/C#语言实现的多线程相关类和接口介绍到，用户可结合本文和其他文章中的知识来应用到自己的工作中，解决类型各样的问题。

记录总结下来，供需要的人参考~POLLLLLLLLLLLLLLLLL~