C++11 中的线程、锁和条件变量

原文链接：http://blog.jobbole.com/44409/

线程

类std::thread代表一个可执行线程，使用时必须包含头文件<thread>。std::thread可以和普通函数，匿名函数和仿函数（一个实现了operator()函数的类）一同使用。另外，它允许向线程函数传递任意数量的参数。

#include <thread>

void func()
{
   // do some work
}

int main()
{
   std:: thread t(func);
   t.join();

   return 0;
}

上例中，t 是一个线程对象，函数func()运行于该线程中。对join()函数的调用将使调用线程（本例是指主线程）一直处于阻塞状态，直到正在执行的线程t执行结束。如果线程函数返回某个值，该值也将被忽略。不过，该函数可以接收任意数量的参数。

void func( int i, double d, const std::string& s)
{
    std::cout << i << ", " << d << ", " << s << std::endl;
}

int main()
{
   std:: thread t(func, 1, 12.50, "sample" );
   t.join();

   return 0;
}

尽管可以向线程函数传递任意数量的参数，但是所有的参数应当按值传递。如果需要将参数按引用传递，那要向下例所示那样，必须将参数用std::ref 或者std::cref进行封装。

void func( int & a)
{
   a++;
}

int main()
{
   int a = 42;
   std:: thread t(func, std::ref(a));
   t.join();

   std::cout << a << std::endl;

   return 0;
}

该程序打印结果为43，但是如果不用std::ref把参数a进行封装的话，输出结果将为42.

除了join方法外，该线程类还提供了另外两个方法：

swap:交换两个线程对象的底层句柄。

Detach: 允许执行该方法的线程脱离其线程对象而继续独立执行。脱离后的线程不再是可结合线程（你不能等待它们执行结束）。

int main()
{
    std:: thread t(funct);
    t.detach();

    return 0;
}

有一点非常重要，如果线程函数抛出异常，使用常规的try-catch语句是捕获不到该异常的。换句话说，以下的做法是不可行的：

try
{
    std:: thread t1(func);
    std:: thread t2(func);

    t1.join();
    t2.join();
}
catch ( const std::exception& ex)
{
    std::cout << ex.what() << std::endl;
}

要在线程间传递异常，你需要在线程函数中捕获他们，将其存储在合适的地方，比便于另外的线程可以随后获取到这些异常。

std::mutex                       g_mutex;
std::vector<std::exception_ptr>  g_exceptions;

void throw_function()
{
   throw std::exception( "something wrong happened" );
}

void func()
{
   try
   {
      throw_function();
   }
   catch (...)
   {
      std::lock_guard<std::mutex> lock(g_mutex);
      g_exceptions.push_back(std::current_exception());
   }
}

int main()
{
   g_exceptions.clear();

   std:: thread t(func);
   t.join();

   for (auto& e : g_exceptions)
   {
      try
      {
         if (e != nullptr)
         {
            std::rethrow_exception(e);
         }
      }
      catch ( const std::exception& e)
      {
         std::cout << e.what() << std::endl;
      }
   }

   return 0;
}

想要知道更多的关于捕获和传递异常的知识，可以阅读这两本书在主线程中处理辅助线程抛出的C++异常和怎样在线程间传递异常。

在深入学习之前，有一点需要注意 &lt;thread&gt;头文件在命名空间std::this_thread中提供了一些帮助函数：

• get_id: 返回当前线程的id.
• yield:在处于等待状态时，可以让调度器先运行其他可用的线程。
• sleep_for:阻塞当前线程，时间不少于其参数指定的时间。
• sleep_util:在参数指定的时间到达之前，使当前线程一直处于阻塞状态。

锁

在上面的例子中,我需要对vector g_exceptions进行同步访问，以确保在同一时间只能有一个线程向其中添加新元素。为此，我使用了互斥量，并对该互斥进行加锁。互斥量是一个核心同步原语，C++ 11的<mutex>头文件里包含了四种不同的互斥量。

• Mutex: 提供了核心函数 lock() 和 unlock()，以及非阻塞方法的try_lock()方法，一旦互斥量不可用，该方法会立即返回。
• Recursive_mutex:允许在同一个线程中对一个互斥量的多次请求。
• Timed_mutex:同上面的mutex类似，但它还有另外两个方法 try_lock_for() 和 try_lock_until()，分别用于在某个时间段里或者某个时刻到达之间获取该互斥量。
• Recursive_timed_mutex: 结合了timed_mutex 和recuseive_mutex的使用。

下面是一个使用了std::mutex的例子（注意前面提到过的帮助函数get_id()和sleep_for()的用法）。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <chrono>

std::mutex g_lock;

void func()
{
    g_lock.lock();

    std::cout << "entered thread " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds( rand () % 10));
    std::cout << "leaving thread " << std::this_thread::get_id() << std::endl;

    g_lock.unlock();
}

int main()
{
    srand ((unsigned int ) time (0));

    std:: thread t1(func);
    std:: thread t2(func);
    std:: thread t3(func);

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();

    return 0;
}

输出结果如下所示：

entered thread 10144
leaving thread 10144
entered thread 4188
leaving thread 4188
entered thread 3424
leaving thread 3424

lock()和unlock()这两个方法应该一目了然，第一个方法用来对互斥量加锁，如果互斥量不可用，便处于阻塞状态。后者则用来对互斥量解锁。

下面这个例子展示了一个简单的线程安全容器（内部使用std::vector）.这个容器带有添加单个元素的add()方法和添加多个元素的addrange()方法，addrange（）方法内部仅仅调用了add()方法。

注意：就像下面的评论里所指出的一样，由于某些原因，包括使用了va_args,这不是一个标准的线程安全容器。而且，dump()方法也不是容器的方法，从真正的实现上来说，它只是一个帮助（独立的）函数。这个例子仅仅用来告诉大家一些有关互斥量的概念，而不是实现一个完全成熟的，无任何错误的线程安全容器。

template < typename T>
class container
{
    std::mutex _lock;
    std::vector<T> _elements;
public :
    void add(T element)
    {
        _lock.lock();
        _elements.push_back(element);
        _lock.unlock();
    }

    void addrange( int num, ...)
    {
        va_list arguments;

        va_start (arguments, num);

        for ( int i = 0; i < num; i++)
        {
            _lock.lock();
            add( va_arg (arguments, T));
            _lock.unlock();
        }

        va_end (arguments);
    }

    void dump()
    {
        _lock.lock();
        for (auto e : _elements)
            std::cout << e << std::endl;
        _lock.unlock();
    }
};

void func(container< int >& cont)
{
    cont.addrange(3, rand (), rand (), rand ());
}

int main()
{
    srand ((unsigned int ) time (0));

    container< int > cont;

    std:: thread t1(func, std::ref(cont));
    std:: thread t2(func, std::ref(cont));
    std:: thread t3(func, std::ref(cont));

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();

    cont.dump();

    return 0;
}

运行该程序时，会进入死锁状态。原因是该容器试图多次去获取同一个互斥量，却一直没有释放它，这样是不可行的。

在这里，使用std::recursive_mutex就可以很好地解决这个问题，它允许同一个线程多次获取同一个互斥量，可获取的互斥量的最大次数并没有具体说明。但是一旦超过最大次数，再对lock进行调用就会抛出std::system_error错误异常。

要想修改上述代码中的问题（除了修改addrange()方法的实现，使它不去调用lock()和unlock()），还可以将互斥量std::mutex改为std::recursive_mutex

template < typename T>
class container
{
    std::mutex _lock;
    std::vector<T> _elements;
public :
    void add(T element)
    {
        _lock.lock();
        _elements.push_back(element);
        _lock.unlock();
    }

    void addrange( int num, ...)
    {
        va_list arguments;

        va_start (arguments, num);

        for ( int i = 0; i < num; i++)
        {
            _lock.lock();
            add( va_arg (arguments, T));
            _lock.unlock();
        }

        va_end (arguments);
    }

    void dump()
    {
        _lock.lock();
        for (auto e : _elements)
            std::cout << e << std::endl;
        _lock.unlock();
    }
};

void func(container< int >& cont)
{
    cont.addrange(3, rand (), rand (), rand ());
}

int main()
{
    srand ((unsigned int ) time (0));

    container< int > cont;

    std:: thread t1(func, std::ref(cont));
    std:: thread t2(func, std::ref(cont));
    std:: thread t3(func, std::ref(cont));

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();

    cont.dump();

    return 0;
}

修改后，就会得到下面的输出结果。

6334
18467
41
6334
18467
41
6334
18467
41

聪明的读者会注意到每次调用func()都会产生相同的数字序列。这是因为种子数是线程本地化的，仅仅在主线程中调用了srand（）对种子进行了初始化，在其他工作线程中并没用进行初始化，所以每次都得到相同的数字序列。

显式的加锁和解锁会导致一些问题，比如忘记解锁或者请求加锁的顺序不正确，进而产生死锁。该标准提供了一些类和函数帮助解决此类问题。这些封装类保证了在RAII风格上互斥量使用的一致性，可以在给定的代码范围内自动加锁和解锁。封装类包括：
Lock_guard:在构造对象时，它试图去获取互斥量的所有权（通过调用lock()），在析构对象时，自动释放互斥量（通过调用unlock()）.这是一个不可复制的类。

Unique_lock:这个一通用的互斥量封装类，不同于lock_guard，它还支持延迟加锁，时间加锁和递归加锁以及锁所有权的转移和条件变量的使用。这也是一个不可复制的类，但它是可移动类。

有了这些封装类，我们可以像下面这样改写容器类：

template < typename T>
class container
{
    std::recursive_mutex _lock;
    std::vector<T> _elements;
public :
    void add(T element)
    {
        std::lock_guard<std::recursive_mutex> locker(_lock);
        _elements.push_back(element);
    }

    void addrange( int num, ...)
    {
        va_list arguments;

        va_start (arguments, num);

        for ( int i = 0; i < num; i++)
        {
            std::lock_guard<std::recursive_mutex> locker(_lock);
            add( va_arg (arguments, T));
        }

        va_end (arguments);
    }

    void dump()
    {
        std::lock_guard<std::recursive_mutex> locker(_lock);
        for (auto e : _elements)
            std::cout << e << std::endl;
    }
};

有人也许会问，既然dump()方法并没有对容器的状态做任何修改，是不是应该定义为const方法呢？但是你如果将它定义为const，编译器会报出下面的错误：

‘std::lock_guard<_Mutex>::lock_guard(_Mutex &)’ : cannot convert parameter 1 from ‘const std::recursive_mutex’ to ‘std::recursive_mutex &’

一个互斥量(不管使用的哪一种实现)必须要获取和释放,这就意味着要调用非const的lock()和unlock()方法。所以从逻辑上来讲，lock_guard的参数不能使const（因为如果该方法为const，互斥量也必需是const）.解决这个问题的办法就是将互斥量定义为可变的mutable，Mutable允许在常函数中修改状态。

不过，这种方法只能用于隐藏或者元状态（就像对计算结果或查询的数据进行缓存，以便下次调用时可以直接使用，不需要进行多次计算和查询。再或者，对在一个对象的实际状态起辅助作用的互斥量进行位的修改）。

template < typename T>
class container
{
   mutable std::recursive_mutex _lock;
   std::vector<T> _elements;
public :
   void dump() const
   {
      std::lock_guard<std::recursive_mutex> locker(_lock);
      for (auto e : _elements)
         std::cout << e << std::endl;
   }
};

这些封装类的构造函数可以重载，接受一个参数用来指明加锁策略。可用的策略如下：

• defer_lock of type defer_lock_t:不获取互斥量的拥有权
• try_to_lock of type try_to_lock_t:在不阻塞的情况下试图获取互斥量的拥有权
• adopte_lock of type adopt_lock_t:假设调用线程已经拥有互斥量的所有权

这些策略的声明如下：

struct defer_lock_t { };
struct try_to_lock_t { };
struct adopt_lock_t { };

constexpr std::defer_lock_t defer_lock = std::defer_lock_t();
constexpr std::try_to_lock_t try_to_lock = std::try_to_lock_t();
constexpr std::adopt_lock_t adopt_lock = std::adopt_lock_t();

除了这些互斥量的封装类，该标准还提供了两个方法，用于对一个或多个互斥量进行加锁。

• lock:使用一种可以避免死锁的算法对互斥量加锁（通过调用lock(),try_lock()和unlock()）.
• try_lock():按照互斥量被指定的顺序，试着通过调用try_lock()来对多个互斥量加锁。

 

这是一个发生死锁的例子：有一个用来存储元素的容器和一个函数exchange()，该函数用来交换两个容器中的元素。要成为线程安全函数，该函数通过获取每个容器的互斥量，来对两个容器的访问进行同步操作。

template < typename T>
class container
{
public :
    std::mutex _lock;
    std::set<T> _elements;

    void add(T element)
    {
        _elements.insert(element);
    }

    void remove (T element)
    {
        _elements.erase(element);
    }
};

void exchange(container< int >& cont1, container< int >& cont2, int value)
{
    cont1._lock.lock();
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // <-- forces context switch to simulate the deadlock
    cont2._lock.lock();

    cont1. remove (value);
    cont2.add(value);

    cont1._lock.unlock();
    cont2._lock.unlock();
}

假设这个函数是由两个不同的线程进行调用的，第一个线程中，一个元素从容器1中移除，添加到容器2中。第二个线程中，该元素又从容器2移除添加到容器1中。这种做法会导致发生死锁（如果在获取第一个锁后，线程上下文刚好从一个线程切换到另一个线程，导致发生死锁）。

int main()
{
    srand ((unsigned int ) time (NULL));

    container< int > cont1;
    cont1.add(1);
    cont1.add(2);
    cont1.add(3);

    container< int > cont2;
    cont2.add(4);
    cont2.add(5);
    cont2.add(6);

    std:: thread t1(exchange, std::ref(cont1), std::ref(cont2), 3);
    std:: thread t2(exchange, std::ref(cont2), std::ref(cont1), 6)

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

要解决这个问题，可以使用std::lock来确保以避免发生死锁的方式来获取锁。

void exchange(container< int >& cont1, container< int >& cont2, int value)
{
    std::lock(cont1._lock, cont2._lock);

    cont1. remove (value);
    cont2.add(value);

    cont1._lock.unlock();
    cont2._lock.unlock();
}

条件变量C++11 还提供了另外一种同步原语,就是条件变量,它能使一个或多个线程进入阻塞状态,直到接到另一个线程的通知,或者发生超时或虚假唤醒时,才退出阻塞.在头文件<condition_variable> 里对条件变量有两种实现：

condition_variable:要求任何在等待该条件变量的线程必须先获取std::unique_lock锁。

Condition_variable_any:是一种更加通用的实现，可以用于任意满足锁的基本条件的类型（该实现只要提供了lock()和unlock()方法即可）。因为使用它花费的代价比较高（从性能和操作系统资源的角度来讲），所以只有在提供了必不可少的额外的灵活性的条件下才提倡使用它。

下面来讲讲条件变量的工作原理： 至少有一个线程在等待某个条件变为true。等待的线程必须先获取unique_lock 锁。该锁被传递给wait（）方法，wait()方法会释放互斥量，并将线程挂起，直到条件变量接收到信号。收到信号后，线程会被唤醒，同时该锁也会被重新获取。

至少有一个线程发送信号使某个条件变为true。可以使用notify_one()来发送信号，同时唤醒一个正在等待该条件收到信号的处于阻塞状态的线程，或者用notify_all()来唤醒在等待该条件的所有线程。

在多处理器系统中，因为一些复杂情况，要想完全预测到条件被唤醒并不容易，还会出现虚假唤醒的情况。就是说，在没人给条件变量发送信号的情况下，线程也可能会被唤醒。所以线程被唤醒后，还需要检测条件是否为true。因为可能会多次发生虚假唤醒，所以需要进行循环检测。

下面代码是一个使用条件变量来同步线程的例子：几个工作线程运行时可能会产生错误并将错误代码放到队列里。记录线程会从队列里取出错误代码并输出它们来处理这些错误。发生错误的时候，工作线程会给记录线程发信号。记录线程一直在等待条件变量接收信号。为了避免发生虚假唤醒，该等待过程在循环检测条件的布尔值。