C++第四十六弹---解锁多线程编程的奥秘：＜thread＞库深入探索

小林熬夜学编程2024-09-06 11:43

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💗系列专栏： 【C语言详解】 【数据结构详解】【C++详解】

目录

[1 线程库](#1 线程库)

[1.1 thread类的简单介绍](#1.1 thread类的简单介绍)

[1.2 线程函数参数](#1.2 线程函数参数)

[1.3 原子性操作库(atomic)](#1.3 原子性操作库(atomic))

[1.4 lock_guard与unique_lock](#1.4 lock_guard与unique_lock)

[1.4.1 mutex的种类](#1.4.1 mutex的种类)

[1.4.2 lock_guard](#1.4.2 lock_guard)

[1.4.3 unique_lock](#1.4.3 unique_lock)

[1.5 支持两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数](#1.5 支持两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数)

1 线程库

1.1 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。

C++11 线程类https://cplusplus.com/reference/thread/thread/

函数名 功能
thread() 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
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
joinable() 线程是否还在执行，joinable代表的是一个正在执行中的线程。
join() 该函数调用后会阻塞住线程，当该线程结束后，主线程继续执行
detach() 在创建线程对象后马上调用，用于把被创建线程与线程对象分离开，分离 的线程变为后台线程，创建的线程的"死活"就与主线程无关

注意：

  1. 线程是操作系统中的一个概念，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。

  2. 当创建一个线程对象后，没有提供线程函数，该对象实际没有对应任何线程。

代码演示

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

int main()
{
	std::thread t1;
	cout << t1.get_id() << endl;
	return 0;
}

运行结果

**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：

// vs下查看
typedef struct
{
    /* thread identifier for Win32 */
    void *_Hnd; /* Win32 HANDLE */
    unsigned int _Id;
} _Thrd_imp_t;
  1. 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。

线程函数一般情况下可按照以下三种方式提供：

  • 函数指针
  • lambda表达式
  • 函数对象

代码演示

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

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();// 阻塞线程
	t2.join();
	t3.join();
	cout << "Main thread!" << endl;
	return 0;
}

运行结果

  1. 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。

  2. 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

1.2 线程函数参数

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。

代码演示

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
void ThreadFunc1(int& x)
{
	x += 10;
}
void ThreadFunc2(int* x)
{
	*x += 10;
}
int main()
{
	int a = 10;
	// 在线程函数中对a修改，不会影响外部实参
	// 因为：线程函数参数虽然是引用方式，但其实际引用的是线程栈中的拷贝
	// vs 2022中必须显示传引用std::ref才行
	//thread t1(ThreadFunc1, a);
	//t1.join();
	cout << a << endl;
	
	// 如果想要通过形参改变外部实参时，必须借助std::ref()函数
	thread t2(ThreadFunc1, std::ref(a));
	t2.join();
	cout << a << endl;
	// 地址的拷贝
	thread t3(ThreadFunc2, &a);
	t3.join();
	cout << a << endl;
	return 0;
}

运行结果

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。

1.3 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：

代码演示

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
unsigned long sum = 0L;
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;
}

运行结果

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。

代码演示

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

mutex mtx;// 头文件#include<mutex>
unsigned long sum = 0L;
void fun(size_t num)
{
	mtx.lock();// 上锁
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
	{
		sum++;
	}
	mtx.unlock();// 解锁
}
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;
}

运行结果

虽然加锁可以解决，但是加锁有一个缺陷 就是：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。

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：需要使用以上原子操作变量时，必须添加头文件**<atomic>**

代码演示

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

atomic_long sum{ 0 };// 原子操作变量
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;
}

运行结果

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

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。

#include<iostream>
#include<atomic>
using namespace std;
int main()
{
	atomic<int> a1(0);
	//atomic<int> a2(a1);    // 拷贝构造编译失败
	atomic<int> a2(0);
	//a2 = a1;               // 赋值重载编译失败
	return 0;
}

1.4 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，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。

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0。

代码演示

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
int number = 0;
mutex g_lock;
int ThreadProc1()
{
	g_lock.lock();
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		++number;
		cout << "thread 1 :" << number << endl;
	}
	g_lock.unlock();
	return 0;
}
int ThreadProc2()
{
	g_lock.lock();
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		--number;
		cout << "thread 2 :" << number << endl;
	}
	g_lock.unlock();
	return 0;
}
int main()
{
	thread t1(ThreadProc1);
	thread t2(ThreadProc2);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "number:" << number << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

运行结果

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。

class LockGuard
{
public:
	// 不支持拷贝构造，因此需要将成员变量设为引用变量
	// 构造上锁
	LockGuard(mutex& mtx)
		:_mtx(mtx)
	{
		_mtx.lock();
	}
	~LockGuard()
	{
		_mtx.unlock();
	}
private:
	mutex& _mtx;
};

1.4.1 mutex的种类

在C++11中，Mutex总共包了四个互斥量的种类：

  1. std::mutex

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() 上锁：锁住互斥量
unlock() 解锁：释放对互斥量的所有权
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)
  1. std::recursive_mutex

其允许同一个线程对互斥量多次上锁（即递归上锁），来获得对互斥量对象的多层所有权，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。

  1. std::timed_mutex

比 std::mutex 多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until() 。

  • 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。

  1. std::recursive_timed_mutex

1.4.2 lock_guard

std::lock_gurad 是 C++11 中定义的模板类。定义如下：

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)
		: _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。

1.4.3 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(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：

  • 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)。

1.5 支持两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数

本节主要演示了condition_variable的使用，condition_variable熟悉我们linux课程已经讲过了，他们用来进行线程之间的互相通知。condition_variable和Linux posix的条件变量并没有什么大的区别，主要还是面向对象实现的。

代码演示

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

// 两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数
// [0 - n)
int main()
{
	mutex mtx;
	condition_variable c;
	int n = 100;
	bool flag = true;

	// 保证第一个打印的是0，不管是什么顺序
	thread t1([&]() {
		int i = 0;
		while (i < n)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mtx);
			// flag == true 不会阻塞
			// flag == false 一直阻塞
			while (!flag)
				c.wait(lock);
			
			cout << i << endl;

			flag = false;
			i += 2;

			// 唤醒线程
			c.notify_one();
		}
		});
	// 休眠1秒
	this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));

	thread t2([&]() {
		int j = 1;
		while (j < n)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mtx);

			// flag == true 一直阻塞
			// flag == false 不会阻塞
			while (flag)
				c.wait(lock);

			cout << j << endl;

			flag = true;
			j += 2;

			// 唤醒线程
			c.notify_one();
		}
		});

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

	return 0;
}

运行结果

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