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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
- 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
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
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
- 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
- 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
- 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
