【C/C++ 16】C++11线程库

目录

一、thread类概述

二、多线程

三、原子性操作库

四、lock_guard

五、unique_guard

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一、thread类概述

进程是操作系统进行资源调度的最小单位，线程是CPU进行任务执行的最小单位。

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，在Linux系统编译时加上 -lpthread。

|-----------------------------|--------------------------------------------|
| 函数名 | 功能 |
| thread() | 构造一个线程对象，不关联任何线程函数 |
| thread(fn, args1, args2...) | 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 |
| get_id() | 获取线程id |
| jionable() | 线程是否在执行，joinable()代表一个正在执行中的线程 |
| join() | 阻塞等待子线程结束 |
| detach() | 分离子线程为后台线程，即子线程的运行状态不再影响主线程 |

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。

二、多线程

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

void ThreadFunc(int a)
{
	cout << "Thread1: " << a << endl;
}

class TF
{
public:
	void operator()(int a)
	{
		cout << "Thread2: " << a << endl; 
	}
};

int main()
{
	std::thread t1(ThreadFunc, 10);

	std::thread t2(TF(), 20);

	std::thread t3([](int a) {cout << "Thread3: " << a << endl; }, 30);

	t1.join();
	t2.join();
	t3.join();
	cout << "Main Thread!" << endl;

	return 0;
}

// 由运行结果可见，父线程与子线程之间的运行顺序是随机的

// 并发：一个CPU同时处理多个线程任务（宏观上同时执行，微观上交替执行）
// 并行：多个CPU同时处理多个线程任务（也可以理解为一个CPU的多个核心同时处理多个任务）

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。

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：

1. 采用无参构造函数构造的线程对象
2. 线程对象的状态已经转移给其他线程对象
3. 线程已经调用jion或者detach结束

三、原子性操作库

多线程共享同一个进程的资源，由于多个线程的执行顺序是随机的，所以在访问统一进程空间中的共享内存（临界资源）时，会发生线程安全问题。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

unsigned long g_sum = 0L;

void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
		g_sum++;
}

int main()
{
	cout << "Before joining,sum = " << g_sum << std::endl;
	thread t1(fun, 10000000);
	thread t2(fun, 10000000);

	t1.join();
	t2.join();
	cout << "After joining,sum = " << g_sum << std::endl;
	return 0;
}

C++传统的方式是通过加锁来控制多线程对临界资源的访问，但是加锁有一个缺陷，就是一个线程对数据进行加锁操作之后，其他线程要是也想访问这个数据，就只能阻塞等待，这大大降低了多线程的效率，并且加锁还有一个缺陷就是容易引起死锁问题，不过死锁问题可以通过智能指针解决。

C++11引入了原子操作库 <atomic>，并提供了原子操作类型，是线程同步变得高效。

|-------------|---------------|
| 原子类型名称 | 对应的内置类型名称 |
| atomic_bool | bool |
| atomic_char | char |
| atomic_int | int |
| atomic_uint | unsigned int |

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
using namespace std;

atomic_int g_sum = 0;

void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
		g_sum++;
}

int main()
{
	cout << "Before joining,sum = " << g_sum << std::endl;
	thread t1(fun, 10000000);
	thread t2(fun, 10000000);

	t1.join();
	t2.join();
	cout << "After joining,sum = " << g_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> t; // 声明一个类型为T的原子类型变量t

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。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
using namespace std;

#include <atomic>
int main()
{
	atomic<int> a1(0);
	//atomic<int> a2(a1); // 编译失败
	atomic<int> a2(1);
	//a2 = a1; // 编译失败

	cout << a1 << ' ' << a2 << endl;

	return 0;
}

四、lock_guard

在多线程环境下，如果想要保证某个变量的安全性，只要将其设置成对应的原子类型即可，即高效又不容易出现死锁问题。但是有些情况下，我们可能需要保证一段代码的安全性，那么就只能通过锁的方式来进行控制。

在C++11中，Mutex总共包了四个互斥量的种类：

1. std::mutex，互斥锁，最常用
2. std::recursive_mutex，允许同一个线程对互斥量多次上锁（即递归上锁）
3. std::timed_mutex，比 std::mutex 多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until()
4. std::recursive_timed_mutex

为了防止死锁问题，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。

namespace my
{
	template<class _Mutex>
	class lock_guard
	{
	public:
		// 关键字explicit可以阻止隐式转换的发生
		explicit lock_guard(_Mutex& mtx)
			: _mtx(mtx)
		{
			_mtx.lock();
		}

		~lock_guard()
		{
			_mtx.unlock();
		}

		lock_guard(const lock_guard<_Mutex>&) = delete;
		lock_guard<_Mutex>& operator=(const lock_guard<_Mutex>&) = delete;

	private:
		_Mutex& _mtx;
	};
}

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。

五、unique_guard

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。

与lock_guard不同的是，unique_lock更加的灵活，提供了更多的成员函数：

1. 上锁/解锁操作：lock、try_lock、try_lock_for、try_lock_until和unlock
2. 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)
3. 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)

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
using namespace std;

void PrintTwoThread()
{
	mutex mtx;
	condition_variable c;
	int n = 100;
	bool flag = true;

	thread t1([&] {
		int i = 0;
		while (i < n)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mtx);
			c.wait(lock, [&]()->bool {return flag; });
			cout << i << endl;
			i += 2;
			flag = false;
			c.notify_one();
		}
	});

	thread t2([&] {
		int j = 1;
		while (j < n)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mtx);
			c.wait(lock, [&]()->bool {return !flag; });
			cout << j << endl;
			j += 2;
			flag = true;
			c.notify_one();
		}
	});

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

int main()
{
	PrintTwoThread();

	return 0;
}