[C++][C++11][六] -- [线程库]

DieSnowK2024-04-08 22:33

目录

1.thread类的简单介绍

  • 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
    • 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
  • [thread类文档]

2.线程对象的构造方法

1.无参构造

  • **功能：**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
  • 原型：thread()
  • 样例：thread t;

2.带参构造

  • **功能：**构造一个线程对象，并关联线程函数fn，args为线程函数的参数
  • 定义如下
cpp 复制代码 
template <class Fn, class... Args>
explicit thread(Fn &&fn, Args &&...args);
  • 参数：
    • fn **：**它是一个万能引用，可以接收：函数指针、仿函数、lambda表达式、被包装器包装后的可调用对象等
    • args**：**调用可调用对象fn时所需要的若干参数
cpp 复制代码 
void ThreadFunc(int a)
{
    cout << "Thread1" << a << endl;
}

class TF
{
    public:
    void operator()()
    {
        cout << "Thread3" << endl;
    }
};

int main()
{
    // 线程函数为函数指针
    thread t1(ThreadFunc, 10);

    // 线程函数为lambda表达式
    thread t2([]
              { cout << "Thread2" << endl; });

    // 线程函数为函数对象
    TF tf;
    thread t3(tf);

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    cout << "Main thread!" << endl;
    return 0;
}

3.移动构造

cpp 复制代码 
void func(int x)
{
    cout << x << endl;
}

int main()
{
    // 3.移动构造
    thread t4 = thread(func, 10);

    t4.join();
    return 0;
}

4.注意

  • 线程是OS中的一个概念，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、
  • 如果创建一个线程对象时，没有提供线程函数，该对象实际没有对应任何线程
  • 如果创建线程对象时提供了线程函数，那么就会启动一个线程来执行这个线程函数，该线程与主线程一起运行
  • 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，转移期间不影响线程的执行

3.thread提供的成员函数

函数名 功能
get_id() 获取线程id
joinable() 判断该线程是否执行完毕
join() 该函数调用后会阻塞主线程，当该线程结束后，主线程继续执行
swap() 将两个线程对象关联的状态进行交换
detach() 在创建线程对象后马上调用，用于把创建线程与线程对象分离开 分离的线程变为后台线程，创建的线程"死活"与主线程无关
  • **get_id()**的返回值类型为id类型，id类型实际为std::thread命名空间下封装的一个类，该类中包含了一个结构体：
cpp 复制代码 
// vs下查看
typedef struct
{   /* thread identifier for Win32 */
    void *_Hnd; /* Win32 HANDLE */
    unsigned int _Id;
} _Thrd_imp_t;
  • 可以通过**joinable()**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join或者detach结束

4.获取线程id

  • 调用thread的成员函数get_id可以获取线程的id，但该方法必须通过线程对象来调用get_id函数
  • 如果要在线程对象关联的线程函数中 获取线程id，可以调用 this_thread命名空间下的get_id函数
cpp 复制代码 
void func()
{
    cout << this_thread::get_id() << endl; // 获取线程id
}

int main()
{
    thread t(func);
    t.join();
    return 0;
}
  • this_thread命名空间中还提供了以下三个函数
函数名 函数功能
yield 当前线程"放弃"执行，让OS调用另一个线程继续执行
sleep_until 让当前线程休眠到一个具体的时间点
sleep_for 让当前线程休眠一个时间段

5.线程函数的参数问题

  • 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
  • 注意：如果是类成员函数作为线程参数时，必须将this作为线程函数参数
  • 以下给出三种解决方案

1.指针

cpp 复制代码 
void func(int *x)
{
    (*x)++;
}

int main()
{
    int n = 0;
    thread t1(func, &n);
       // ...
}

2.借助std::ref函数

  • 当线程函数的参数类型为引用类型时，如果要想线程函数形参引用的是外部传入的实参，而不是线程栈空间中的拷贝，那么在传入实参时需要借助ref函数保持对实参的引用
cpp 复制代码 
void func(int &x)
{
    x++;
}

int main()
{
    int n = 0;
    thread t1(func, std::ref(n));
    // ...
}

3.借助lambda表达式

cpp 复制代码 
int main()
{
    int n = 0;
    thread t1([&n](){ n++; });
    // ...
}

6.join和detach

  • 启动了一个线程后，当这个线程结束的时候，如何去回收线程所使用的资源呢？

1.join()

  • 主线程被阻塞，当新线程终止时，join()会清理相关的线程资源，然后返回，主线程再继续向下执行，然后销毁线程对象
    • 由于join()清理了线程的相关资源，thread对象与已销毁的线程就没有关系了
    • 因此一个线程对象只能使用一次join() ，否则程序会崩溃
  • 但采用join的方式结束线程，在某些场景下也可能会出现问题
    • 比如：在该线程被join之前，如果中途因为某些原因导致程序不再执行后续代码，这时这个线程将不会被join
    • 因此：采用join()方式结束线程时，join()的调用位置非常关键
    • 为了避免该问题，可以采用RAII的方式对线程对象进行封装
cpp 复制代码 
class myThread
{
public:
    myThread(thread &t)
        : _t(t)
    {}

    ~myThread()
    {
        if (_t.joinable())
        {
            _t.join();
        }
    }

    // 防拷贝
    myThread(myThread const &) = delete;
    myThread &operator=(const myThread &) = delete;

private:
    thread &_t;
};

2.detach()

  • 该函数被调用后，新线程与线程对象分离，不再被线程对象所表达，就不能通过线程对象控制线程了
    • 新线程会在后台运行，其所有权和控制权将会交给C++运行库
    • 同时，C++运行库保证，当线程退出时，其相关资源的能够正确的回收
  • detach()函数一般在线程对象创建好之后就调用
    • 因为如果不是join()等待方式结束，那么线程对象可能会在新线程结束之前被销毁掉而导致程序崩溃
      • 因为std::thread的析构函数中，如果线程的状态是joinable，std::terminate将会被调用，而terminate()函数直接会终止程序

7.mutex的种类

1.std::mutex -- 互斥锁

  • 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：
函数名 函数功能
lock() 加锁
unlock() 解锁
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
  • 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)

2.std::recursive_mutex -- 递归互斥锁

  • 该锁专门用于递归函数中的加锁操作
    • 如果在递归函数中使用mutex进行加锁，那么在该线程进行递归调用时，可能会重复申请已经申请到但自己还未释放的锁，进而导致死锁问题
    • 而recursive_mutex允许同一个线程对互斥量多次上锁(即递归上锁)，来获得互斥量对象的多层所有权
      • 但是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

3.std::timed_mutex -- 时间互斥锁

  • 比std::mutex多了两个成员函数
    • 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

4.std::recursive_timed_mutex -- 递归时间互斥锁

8.lock_guard与unique_lock

  • 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，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
    • 比如：一个线程对变量number进行加一100次，另外一个减一100次，每次操作加一或者减一之后，输出number的结果，要求：number最后的值为1
  • [lock_guard与unique_lock文档]
cpp 复制代码 
int number = 0;
mutex g_lock;

void ThreadProc1()
{
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        g_lock.lock();
        ++number;
        cout << "thread 1 :" << number << endl;
        g_lock.unlock();
    }
}

void ThreadProc2()
{
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        g_lock.lock();
        --number;
        cout << "thread 2 :" << number << endl;
        g_lock.unlock();
    }
}

int main()
{
    thread t1(ThreadProc1);
    thread t2(ThreadProc2);

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

    cout << "number:" << number << endl;
    system("pause");
    return 0;
}
  • 上述代码的缺陷：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

1.lock_guard

  • std::lock_gurad是C++11中定义的模板类
cpp 复制代码 
template <class _Mutex>
class lock_guard
{
public:
    // 在构造lock_gard时，_Mtx还没有被上锁
    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 tag)
        : _MyMutex(_Mtx)
    {}

    ~lock_guard() _NOEXCEPT
    {
        _MyMutex.unlock();
    }

    lock_guard(const lock_guard &) = delete;
    lock_guard &operator=(const lock_guard &) = delete;

private:
    _Mutex &_MyMutex;
};
  • 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.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：
    • **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

6.原子性操作库 -- atomic

  • 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，比如以下代码
cpp 复制代码 
unsigned long sum = 0;

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

int main()
{
    cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;

    thread t1(fun, 10000000);
    thread t2(fun, 10000000);
    t1.join();
    t2.join();

    cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
    return 0;
}
  • 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
      • 只要一个线程在对sum++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
cpp 复制代码 
mutex m;
unsigned long sum = 0;

void fun(size_t num)
{
    for (size_t i = 0; i < num; ++i)
    {
        m.lock();
        sum++;
        m.unlock();
    }
}

int main()
{
    cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;

    thread t1(fun, 10000000);
    thread t2(fun, 10000000);
    t1.join();
    t2.join();
    
    cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
    return 0;
}
  • 因此C++11中引入了原子操作
    • 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
    • 注意：需要用大括号对原子类型的变量进行初始化
原子类型名称 对应的内置类型名称
atomic_bool bool
atomic_char char
atomic_schar signed_char
ahomic_uchar unsigned_char
ahomic_int int
ahomic_uint unsigned int
ahomic_short short
ahomic_ushort unsigned short
ahomic_long long
ahomic_ulong unsigned long
ahomic_llong long long
ahomic_ullong unsigned long long
ahomic_char16_t char16_t
ahomic_char_32_t char32_t
ahomic_wchar_t wchar_t
cpp 复制代码 
atomic_long sum{0};

void fun(size_t num)
{
    for (size_t i = 0; i < num; ++i)
    {
        sum++; // 原子操作
    }
}

int main()
{
    cout << "Before joining, sum = " << sum << std::endl;

    thread t1(fun, 1000000);
    thread t2(fun, 1000000);
    t1.join();
    t2.join();

    cout << "After joining, sum = " << 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
cpp 复制代码 
atomic<T> t; // 声明一个类型为T的原子类型变量t
  • 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
cpp 复制代码 
atomic<int> a1(0);
// atomic<int> a2(a1);   // 编译失败

atomic<int> a2(0);
// a2 = a1; // 编译失败

7.条件变量库 -- condition_variable

  • condition_variable提供了两种函数：
    • Wait functions -- 等待函数
    • Notify functions -- 通知函数

1.Wait functions

  • 功能：让调用线程进行阻塞等待
cpp 复制代码 
// 版本一
void wait(unique_lock<mutex> &lck);

// 版本二
template <class Predicate>
void wait(unique_lock<mutex> &lck, Predicate pred);
  • 调用第一个版本的wait函数时，只需要传入一个互斥锁，线程调用wait后会立即被阻塞，直到被唤醒
  • 调用第二个版本的wait函数时，除了需要传一个互斥锁，还需要传入一个返回值类型为bool的可调用对象
    • 与第一个版本的wait不同的是，当线程被唤醒后还需要调用传入的可调用对象
      • 如果可调用对象的返回值为false，那么该线程还需要继续被阻塞

2.Notify functions

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