C++多线程图文详解
目录
1 什么是C++多线程？
1.1 线程与进程
1.2 并发与并行
1.3 多线程
2 std::thread类
2.1 std::thread类构造函数
2.1 std::thread类成员函数
3 std::mutex类
3.1 类介绍
3.2 std::mutex成员函数
4 std::future异步线程
4.1 std::future异步线程理解
5 原子类型automic
6 C++多线程高级知识
6.1 线程池基础知识
6.2 线程池所解决的问题
1 什么是C++多线程？
1.1 线程与进程
线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，进程包含一个或者多个线程。进程可以理解为完成一件事的完整解决方案，而线程可以理解为这个解决方案中的的一个步骤，可能这个解决方案就这只有一个步骤，也可能这个解决方案有多个步骤。
1.2 并发与并行
并发：是指两个或多个事件在同一时间间隔发生，并发是针对单核 CPU 提出的，在同一CPU上的多个事件。
并行：是指两个或者多个事件在同一时刻发生，并行则是针对多核 CPU 提出，在不同CPU上的多个事件
1.3 多线程
多线程是实现并发（并行）的手段，并发（并行）即多个线程同时执行，一般而言，多线程就是把执行一件事情的完整步骤拆分为多个子步骤，然后使得这多个步骤同时执行。
2 std::thread类
std::thread 在
头文件中声明，因此使用 std::thread 时需要包含 头文件。
2.1 std::thread类构造函数
| 默认构造函数 | thread() noexcept |
| 初始化构造函数 | template |
| 拷贝构造函数 | thread (const thread&) = delete |
| move构造函数 | thread (thread&& x) noexcept |
- 默认构造函数：创建一个空thread对象，该对象非joinable
- 初始化构造函数：创建一个thread对象，该对象会调用Fn函数，Fn函数的参数由args指定，该对象是joinable的
- 拷贝构造函数：被禁用，意味着thread对象不可拷贝构造
- move构造函数：移动构造，执行成功之后x失效，即x的执行信息被移动到新产生的thread对象，该对象非joinable
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void f1(int n)
{
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
std::cout << "Thread 1 executing\n";
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
}
std::cout << "\t";
}
void f2(int& n)
{
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
std::cout << "Thread 2 executing\n";
++n;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
}
}
int main()
{
int n = 0;
std::thread t1; // t1 is not a thread
std::thread t2(f1, n + 1); // 值传递
std::thread t3(f2, std::ref(n)); // 引用传递
std::thread t4(std::move(t3)); // 移动构造函数
t2.join();
t4.join();
std::cout << "Final value of n is " << n << '\n';
}
2.1 std::thread类成员函数
（1）get_id：获取线程ID。返回一个类型为std::thread::id的对象。
#include
#include
#include
void foo()
{
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}
int main()
{
std::thread t1(foo);
std::thread::id t1_id = t1.get_id();
std::thread t2(foo);
std::thread::id t2_id = t2.get_id();
std::cout << "t1's id: " << t1_id << '\n';
std::cout << "t2's id: " << t2_id << '\n';
t1.join();
t2.join();
}
（2）joinable：检查线程是否可被join。检查当前的线程对象是否表示了一个活动的执行线程。缺省构造的thread对象、已经完成join的thread对象、已经detach的thread对象都不是joinable。
#include
#include
#include
void foo()
{
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}
int main()
{
std::thread t;
std::cout << "before starting, joinable: " << t.joinable() << '\n';
t = std::thread(foo);
std::cout << "after starting, joinable: " << t.joinable() << '\n';
t.join();
}
（3）join：调用该函数会阻塞当前线程（主调线程）。阻塞调用者(caller)所在的线程（主调线程）直至被join的std::thread对象标识的线程（被调线程）执行结束。
#include
#include
#include
void foo()
{
// simulate expensive operation
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}
void bar()
{
// simulate expensive operation
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}
int main()
{
std::cout << "starting first helper...\n";
std::thread helper1(foo);
std::cout << "starting second helper...\n";
std::thread helper2(bar);
std::cout << "waiting for helpers to finish..." << std::endl;
helper1.join();
helper2.join();
std::cout << "done!\n";
} （4）detach：将当前线程对象所代表的执行实例与该线程对象分离，使得线程的执行可以单独进行。一旦线程执行完毕，它所分配的资源将会被释放。
#include
#include
#include
void independentThread()
{
std::cout << "Starting concurrent thread.\n";
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
std::cout << "Exiting concurrent thread.\n";
}
void threadCaller()
{
std::cout << "Starting thread caller.\n";
std::thread t(independentThread);
t.detach();
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
std::cout << "Exiting thread caller.\n";
}
int main()
{
threadCaller();
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));
}
join和detach区别
- join()函数是一个等待线程完成函数，主线程需要等待子线程运行结束了才可以结束
- detach称为分离线程函数，使用detach()函数会让线程在后台运行，即说明主线程不会等待子线程运行结束才结束
（5）native_handle：该函数返回与std::thread具体实现相关的线程句柄。native_handle_type是连接thread类和操作系统SDK API之间的桥梁，如在Linux g++(libstdc++)里，native_handle_type其实就是pthread里面的pthread_t类型，当thread类的功能不能满足我们的要求的时候(比如改变某个线程的优先级)，可以通过thread类实例的native_handle()返回值作为参数来调用相关的pthread函数达到目录。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
std::mutex iomutex;
void f(int num)
{
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
sched_param sch;
int policy;
pthread_getschedparam(pthread_self(), &policy, &sch);
std::lock_guard lk(iomutex);
std::cout << "Thread " << num << " is executing at priority "
<< sch.sched_priority << '\n';
}
int main()
{
std::thread t1(f, 1), t2(f, 2);
sched_param sch;
int policy;
pthread_getschedparam(t1.native_handle(), &policy, &sch);
sch.sched_priority = 20;
if(pthread_setschedparam(t1.native_handle(), SCHED_FIFO, &sch)) {
std::cout << "Failed to setschedparam: " << std::strerror(errno) << '\n';
}
t1.join();
t2.join();
}
（6）swap：交换两个线程对象所代表的底层句柄。
#include
#include
#include
void foo()
{
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}
void bar()
{
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}
int main()
{
std::thread t1(foo);
std::thread t2(bar);
std::cout << "thread 1 id: " << t1.get_id() << std::endl;
std::cout << "thread 2 id: " << t2.get_id() << std::endl;
std::swap(t1, t2);
std::cout << "after std::swap(t1, t2):" << std::endl;
std::cout << "thread 1 id: " << t1.get_id() << std::endl;
std::cout << "thread 2 id: " << t2.get_id() << std::endl;
t1.swap(t2);
std::cout << "after t1.swap(t2):" << std::endl;
std::cout << "thread 1 id: " << t1.get_id() << std::endl;
std::cout << "thread 2 id: " << t2.get_id() << std::endl;
t1.join();
t2.join();
}
（7）operator=：将线程与当前 thread 对象关联。
（8）hardware_concurrency：静态成员函数，返回当前计算机最大的硬件并发线程数目。基本上可以视为处理器的核心数目。
#include
#include
int main() {
unsigned int n = std::thread::hardware_concurrency();
std::cout << n << " concurrent threads are supported.\n";
}
（9）sleep_for： 线程休眠某个指定的时间片(time span)，该线程才被重新唤醒，不过由于线程调度等原因，实际休眠时间可能比 sleep_duration 所表示的时间片更长。
#include
#include
#include
int main()
{
std::cout << "Hello waiter" << std::endl;
std::chrono::milliseconds dura(2000);
std::this_thread::sleep_for(dura);
std::cout << "Waited 2000 ms\n";
} （10）sleep_until: 线程休眠至某个指定的时刻(time point)，该线程才被重新唤醒。
template< class Clock, class Duration >
void sleep_until( const std::chrono::time_point& sleep_time );
3 std::mutex类
Mutex 又称互斥量，C++ 11中与 Mutex 相关的类（包括锁类型）和函数都声明在
头文件中，所以如果你需要使用 std::mutex，就必须包含 头文件。
如何理解：这样比喻，两个人要去银行的柜台办理业务，且银行只有一个柜台，A要办理业务，B也要办理业务，但是柜台同一时间只能给一个人办理，在办理业务时要坐到柜台位置（lock），用完后再离开柜台位置(unlock)。那么，这个柜台位置就是互斥量，互斥量保证了使用办理业务这一过程不被打断。
3.1 类介绍
（1）Mutex 系列类(四种)
| std::mutex | 最基本的 Mutex 类 |
| std::recursive_mutex | 递归 Mutex 类 |
| std::time_mutex | 定时 Mutex 类 |
| std::recursive_timed_mutex | 定时递归 Mutex 类 |
（2）Lock 类（两种）
| std::lock_guard | 与 Mutex RAII 相关，方便线程对互斥量上锁 |
| std::unique_lock | 与 Mutex RAII 相关，方便线程对互斥量上锁，但提供了更好的上锁和解锁控制 |
（3）函数
| std::try_lock | 尝试同时对多个互斥量上锁 |
| std::lock | 可以同时对多个互斥量上锁 |
| std::call_once | 如果多个线程需要同时调用某个函数，call_once 可以保证多个线程对该函数只调用一次。 |
3.2 std::mutex成员函数
下面以 std::mutex 为例介绍 C++11 中的互斥量用法。
std::mutex 是C++11 中最基本的互斥量，std::mutex 对象提供了独占所有权的特性——即不支持递归地对 std::mutex 对象上锁，而 std::recursive_lock 则可以递归地对互斥量对象上锁。
（1）std::mutex 的成员函数
- 构造函数，std::mutex不允许拷贝构造，也不允许 move 拷贝，最初产生的 mutex 对象是处于 unlocked 状态的。
- lock()，调用线程将锁住该互斥量。线程调用该函数会发生下面 3 种情况：（1）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。（2）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。（3）如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。
- 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。线程调用该函数也会出现下面 3 种情况，（1）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。（2）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。（3）如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。
下面给出一个与 std::mutex 的小例子：
#include
#include
#include
using namespace std;
mutex m;//实例化m对象，不要理解为定义变量
void proc1(int a)
{
m.lock();
cout << "proc1函数正在改写a" << endl;
cout << "原始a为" << a << endl;
cout << "现在a为" << a + 2 << endl;
m.unlock();
}
void proc2(int a)
{
m.lock();
cout << "proc2函数正在改写a" << endl;
cout << "原始a为" << a << endl;
cout << "现在a为" << a + 1 << endl;
m.unlock();
}
int main()
{
int a = 0;
thread t1(proc1, a);
thread t2(proc2, a);
t1.join();
t2.join();
return 0;
} 对比输出：
加了lock()和unlock()相当于银行只有一个柜台，没有加lock()和unlock()相当于银行有多个柜台，互不干扰。
// 加了lock()和unlock()
proc1函数正在改写a
原始a为0
现在a为2
proc2函数正在改写a
原始a为0
现在a为1// 没有加lock()和unlock()
proc2函数正在改写aproc1函数正在改写a
原始a为
原始a为0
0
现在a为1
现在a为2（2）std::recursive_mutex 介绍
std::recursive_mutex 与 std::mutex 一样，也是一种可以被上锁的对象，但是和 std::mutex 不同的是，std::recursive_mutex 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，std::recursive_mutex 释放互斥量时需要调用与该锁层次深度相同次数的 unlock()，可理解为 lock() 次数和 unlock() 次数相同，除此之外，std::recursive_mutex 的特性和 std::mutex 大致相同。
（3）std::time_mutex 介绍
std::time_mutex 比 std::mutex 多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until()。
try_lock_for 函数接受一个时间范围，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 函数则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。
下面的小例子说明了 std::time_mutex 的用法：
#include // std::cout
#include // std::chrono::milliseconds
#include // std::thread
#include // std::timed_mutex
std::timed_mutex mtx;
void fireworks() {
// waiting to get a lock: each thread prints "-" every 200ms:
while (!mtx.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200))) {
std::cout << "-";
}
// got a lock! - wait for 1s, then this thread prints "*"
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
std::cout << "*\n";
mtx.unlock();
}
int main ()
{
std::thread threads[10];
// spawn 10 threads:
for (int i=0; i<10; ++i)
threads[i] = std::thread(fireworks);
for (auto& th : threads) th.join();
return 0;
} （4）std::recursive_timed_mutex 介绍
和 std:recursive_mutex 与 std::mutex 的关系一样，std::recursive_timed_mutex 的特性也可以从 std::timed_mutex 推导出来。
（5）std::lock_guard 介绍
原理：内部构造时相当于执行了lock，析构时相当于执行unlock。，在其析构函数中进行解锁。最终的结果就是：创建即加锁，作用域结束自动解锁。从而使用lock_guard()就可以替代lock()与unlock()。例子：
#include
#include
#include
using namespace std;
mutex m;//实例化m对象，不要理解为定义变量
void proc1(int a)
{
lock_guard g1(m);//用此语句替换了m.lock()；lock_guard传入一个参数时，该参数为互斥量，此时调用了lock_guard的构造函数，申请锁定m
cout << "proc1函数正在改写a" << endl;
cout << "原始a为" << a << endl;
cout << "现在a为" << a + 2 << endl;
}//此时不需要写m.unlock(),g1出了作用域被释放，自动调用析构函数，于是m被解锁
void proc2(int a)
{
{
lock_guard g2(m);
cout << "proc2函数正在改写a" << endl;
cout << "原始a为" << a << endl;
cout << "现在a为" << a + 1 << endl;
}//通过使用{}来调整作用域范围，可使得m在合适的地方被解锁
cout << "作用域外的内容3" << endl;
cout << "作用域外的内容4" << endl;
cout << "作用域外的内容5" << endl;
}
int main()
{
int a = 0;
thread t1(proc1, a);
thread t2(proc2, a);
t1.join();
t2.join();
return 0;
} 输出：
proc1函数正在改写a
原始a为0
现在a为2
proc2函数正在改写a
原始a为0
现在a为1
作用域外的内容3
作用域外的内容4
作用域外的内容5lock_gurad也可以传入两个参数，第一个参数为adopt_lock标识时，表示不再构造函数中不再进行互斥量锁定，因此此时需要提前手动锁定。
#include
#include
#include
using namespace std;
mutex m;//实例化m对象，不要理解为定义变量
void proc1(int a)
{
m.lock();//手动锁定
lock_guard g1(m, adopt_lock);
cout << "proc1函数正在改写a" << endl;
cout << "原始a为" << a << endl;
cout << "现在a为" << a + 2 << endl;
}//自动解锁
void proc2(int a)
{
lock_guard g2(m);//自动锁定
cout << "proc2函数正在改写a" << endl;
cout << "原始a为" << a << endl;
cout << "现在a为" << a + 1 << endl;
}//自动解锁
int main()
{
int a = 0;
thread t1(proc1, a);
thread t2(proc2, a);
t1.join();
t2.join();
return 0;
} （6）std::unique_lock 介绍
unique_lock类似于lock_guard，只是unique_lock用法更加丰富，同时支持lock_guard()的原有功能。使用lock_guard后不能手动lock()与手动unlock()；使用unique_lock后可以手动lock()与手动unlock()；unique_lock的第二个参数，除了可以是adopt_lock,还可以是try_to_lock与defer_lock。
- try_to_lock：尝试去锁定，得保证锁处于unlock的状态，然后尝试现在能不能获得锁；尝试用mutx的lock()去锁定这个mutex，但如果没有锁定成功，会立即返回，不会阻塞在那里。
- defer_lock: 初始化了一个没有加锁的mutex。
| lock_guard | unique_lock | |
|---|---|---|
| 手动lock与手动unlock | 不支持 | 支持 |
| 参数 | 支持adopt_lock | 支持adopt_lock/try_to_lock/defer_lock |
#include
#include
#include
using namespace std;
mutex m;
void proc1(int a)
{
unique_lock g1(m, defer_lock); //始化了一个没有加锁的mutex
g1.lock(); //手动加锁，注意，不是m.lock()
cout << "proc1函数正在改写a" << endl;
cout << "proc1函数a为" << a << endl;
cout << "proc1函数a+2为" << a + 2 << endl;
g1.unlock(); //临时解锁
cout << "尝试自动解锁" << endl;
g1.lock();
cout << "运行后自动解锁" << endl;
} //自动解锁
void proc2(int a)
{
unique_lock g2(m, try_to_lock); //尝试加锁，但如果没有锁定成功，会立即返回，不会阻塞在那里
cout << "proc2函数正在改写a" << endl;
cout << "proc2函数a为" << a << endl;
cout << "proc2函数a+1为" << a + 1 << endl;
} //自动解锁
int main()
{
int a = 0;
thread t1(proc1, a);
thread t2(proc2, a);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
unique_lock所有权的转移
mutex m;
{
unique_lock g2(m,defer_lock);
unique_lock g3(move(g2));//所有权转移，此时由g3来管理互斥量m
g3.lock();
g3.unlock();
g3.lock();
}
4 std::future异步线程
4.1 std::future异步线程理解
需要#include
如何理解：相当于你去银行业务（主线程），把资料交给了柜台，柜台人员去给你办理（async创建子线程），柜台人员给了你一个单据（future对象），说你的业务正在给你办（子线程正在运行），等段时间你再过来凭这个单据取结果。过了段时间，你去柜台取结果，但是结果还没出来（子线程还没return），你就在柜台人员等着（阻塞），直到你拿到结果（get()）你才离开（不再阻塞）。
#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;
double t1(const double a, const double b)
{
double c = a + b;
Sleep(3000);//假设t1函数是个复杂的计算过程，需要消耗3秒
return c;
}
int main()
{
double a = 2.3;
double b = 6.7;
future fu = async(t1, a, b);//创建异步线程线程，并将线程的执行结果用fu占位；
cout << "正在办理业务" << endl;
cout << "马上为您办理好，请您耐心等待" << endl;
cout << "计算结果：" << fu.get() << endl;//阻塞主线程，直至异步线程return，future对象的get()方法只能调用一次。
return 0;
} 输出：
正在办理业务
马上为您办理好，请您耐心等待
计算结果：94.2 shared_future异步线程理解
future与shard_future的用途都是为了占位，但是两者有些许差别。future的get()成员函数是转移数据所有权；shared_future的get()成员函数是复制数据。
- future对象的get()只能调用一次；无法实现多个线程等待同一个异步线程，一旦其中一个线程获取了异步线程的返回值，其他线程就无法再次获取。
- shared_future对象的get()可以调用多次；可以实现多个线程等待同一个异步线程，每个线程都可以获取异步线程的返回值。
5 原子类型automic
互斥量的加锁一般是针对一个代码段，而原子操作针对的一般都是一个变量。automic是一个模板类，使用该模板类实例化的对象，提供了一些保证原子性的成员函数来实现共享数据的常用操作。
在以前，定义了一个共享的变量(int i=0)，多个线程会操作这个变量，那么每次操作这个变量时，都是用lock加锁，操作完毕使用unlock解锁，以保证线程之间不会冲突；现在，实例化了一个类对象(automic i=0)来代替以前的那个变量，每次操作这个对象时，就不用lock与unlock，这个对象自身就具有原子性，以保证线程之间不会冲突。
automic对象提供了常见的原子操作（通过调用成员函数实现对数据的原子操作）：
- store是原子写操作，
- load是原子读操作。
- exchange是于两个数值进行交换的原子操作。
- 即使使用了automic，也要注意执行的操作是否支持原子性。一般atomic原子操作，针对++，–，+=，-=，&=，|=，^=是支持的。
#include
#include
#include
using namespace std;
atomic_int64_t total = 0; //atomic_int64_t相当于int64_t，但是本身就拥有原子性
//线程函数，用于累加
void threadFunc(int64_t endNum) {
for (int64_t i = 1; i <= endNum; ++i)
{
total += i;
}
}
int main() {
int64_t endNum = 100;
thread t1(threadFunc, endNum);
thread t2(threadFunc, endNum);
t1.join();
t2.join();
cout << "total=" << total << endl; //10100
} 6 C++多线程高级知识
6.1 线程池基础知识
不采用线程池时：创建线程 -> 由该线程执行任务 -> 任务执行完毕后销毁线程。即使需要使用到大量线程，每个线程都要按照这个流程来创建、执行与销毁。
虽然创建与销毁线程消耗的时间远小于线程执行的时间，但是对于需要频繁创建大量线程的任务，创建与销毁线程所占用的时间与CPU资源也会有很大占比。
为了减少创建与销毁线程所带来的时间消耗与资源消耗，因此采用线程池的策略：
- 程序启动后，预先创建一定数量的线程放入空闲队列中，这些线程都是处于阻塞状态，基本不消耗CPU，只占用较小的内存空间。
- 接收到任务后，线程池选择一个空闲线程来执行此任务。
- 任务执行完毕后，不销毁线程，线程继续保持在池中等待下一次的任务。
6.2 线程池所解决的问题
(1) 需要频繁创建与销毁大量线程的情况下，减少了创建与销毁线程带来的时间开销和CPU资源占用。（省时省力）
(2) 实时性要求较高的情况下，由于大量线程预先就创建好了，接到任务就能马上从线程池中调用线程来处理任务，略过了创建线程这一步骤，提高了实时性。（实时）
参考文章（本文是篇文章的学习汇总，参考链接如下）
（1）https://www.cnblogs.com/zizbee/p/13520823.html
（2）C++ thread_碎步の流年的博客-CSDN博客
（3）
（4）std::mutex 用法详解_std:mutex_faihung的博客-CSDN博客
