C++中的多线程编程和锁机制

二、多线程、锁

2.1 C语言线程库pthread（POSIX threads）

2.2.1 线程创建 pthread_create

#include <pthread.h>

pthread_t thread;
ThreadData args = {1, "Hello from parameterized thread"};
int result = pthread_create(&thread, attr, function, args);		// 线程创建即启动。

• arttr：定制各种不同的线程属性，通常直接设为NULL；
• function：线程要执行的函数；
• args：函数执行需要输入的参数，无参数是输入NULL，有参数时需要输入ThreadData结构体对象。
• 返回值：成返回0，失败返回非0值。

2.2.2 线程同步

• 互斥锁：pthread_mutex_t

  // 静态初始化互斥锁
  pthread_mutex_t m_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
  // 动态初始化互斥锁
  pthread_mutex_t m_mutex;
  pthread_mutex_init(&m_mutex, nullptr);
  // 加锁
  pthread_mutex_lock(&m_mutex);
  // 解锁
  pthread_mutex_unlock(&m_mutex);
  // 销毁
  pthread_mutex_destroy(&m_mutex);

• 条件变量：pthread_cond_t

  // 静态初始化条件变量
  pthread_cond_t m_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
  // 动态初始化条件变量
  pthread_cond_t m_cond;
  pthread_cond_init(&m_cond, nullptr);
  // 阻塞
  pthread_cond_Wait(&m_cond, &m_mutex);	// 要同时输入一个互斥锁对象，代表是等待申请该互斥锁
  // 唤醒一个其他等待线程
  pthread_cond_signal(&m_mcond);
  // 唤醒全部其他等待线程
  pthread_cond_broadcast(&m_mcond);

2.2.3 等待线程结束 pthread_join

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

• thread：要等待结束的线程；
• retval：若不为NULL，则用于复制出线程的退出状态；
• 返回值：成功返回0，失败返回非0。

2.2.4 线程分离 pthread_detach

#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t thread);

• thread：要分离的线程；
• 返回值：成功返回0，失败返回非0。

2.2.5 线程退出 pthread_exit

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);

• retval：用于保存线程的退出状态；

2.2 C+11标准库的线程 std::thread

2.2.1 线程创建 std::thread

#include <thread>
// 使用函数
std::thread t(func, args1, std::ref(args2), std::cref(args3));		// 线程创建即启动。
// 使用lambda表达式
std::thread t([]() { std::cout << "hellow, world!" << std::endl;});  // 线程创建即启动。
// 使用类成员函数
std::thread t(&MyClass::func, &obj, args1, args2, ...);		// obj是实际依托的对象
// 使用类静态成员函数不需要传递对象
std::thread t(&MyClass::func, args1, args2, ...);	

• std::ref()：指传递引用参数；
• std::cref()：指传递常量引用参数。

2.2.2 线程同步

• **互斥锁： std::mutex **

  #include <mutex>
  // 初始化
  std::mutex m_mtx;
  // 加锁
  m_mtx.lock();
  // 解锁
  m_mtx.unlock();

• **RAII（资源获取即初始化）锁： std::lock_guard **

  用于管理某个锁(Lock)对象 ，因此与 Mutex RAII 相关，方便线程对互斥量上锁，即在某个 lock_guard 对象的声明周期内，它所管理的锁对象会一直保持上锁状态；而 lock_guard 的生命周期结束之后，它所管理的锁对象会自动解锁 (注：类似 shared_ptr 等智能指针管理动态分配的内存资源 )。

  lock_guard 对象不负责管理 Mutex 对象的生命周期，只是简化了 Mutex 对象的上锁和解锁操作

  简单理解就是自动unlock

  #include<mutex>
  // 初始化
  std::mutex m_mtx;
  
  void func() {
  	std::lock_guard<std::mutex> lc(m_mtx);		// 加锁
  	...
  }
  // 函数执行完毕lc资源释放后会自动解锁，无需显式的unlock

• **RAII锁： std::unique_lock **

  更灵活的锁，它允许手动锁定和解锁互斥量 ，以及与条件变量一起使用（是lock_guard的进阶版）。与 lock_guard 类似，unique_lock 也是一个 RAII 风格的锁，当对象离开作用域时，它会自动解锁互斥量。unique_lock 还支持延迟锁定、尝试锁定和可转移的锁所有权。

  #include<mutex>
  // 初始化
  std::mutex m_mtx;
  
  void func() {
  	std::unique_lock<std::mutex> lc(m_mtx);		// 加锁
  	...
  }
  // 函数执行完毕lc资源释放后会自动解锁，无需显式的unlock

• 条件变量：std::condition_variable

  #include <condition_variable>
  #include <mutex>
  
  std::mutex m_mtx;
  std::unique_lock<std::mutex> lc(m_mtx);
      
  // 初始化 
  std::condition_variable cv;
  // 阻塞
  cv.wait(lc);
  // 唤醒一个阻塞线程
  cv.notify_one();
  // 唤醒全部阻塞线程
  cv.notify_all();

2.2.3 等待线程结束 thread.join()

#include <thread>

std::thread t(func);
t.join();	// 等待线程结束

2.2.4 线程分离 thread.detach()

#include <thread>

std::thread t(func);
t.detach();	// 等待线程结束

2.2.5 线程退出

C++标准库std::thread并没有提供类似pthread_exit函数相关显式退出线程的函数，原因是 std::thread 的设计是面向 RAII（Resource Acquisition Is Initialization）原则的，即资源管理应当通过对象的生命周期来控制。

尽管没有 pthread_exit，你仍然可以通过控制线程的执行逻辑来实现类似的功能。如，通过在线程函数中检查某个退出条件或标志位，在满足条件时退出函数。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <chrono>

std::atomic<bool> stop_thread(false);

void worker() {
    while (!stop_thread) {
        std::cout << "Working..." << std::endl;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
    }
    std::cout << "Worker thread is exiting..." << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t(worker);
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    stop_thread = true;  // Signal the thread to exit
    t.join();
    std::cout << "Main thread is done." << std::endl;
    return 0;
}