C++并发与多线程

文章目录

引言
[1. 未实现多线程互斥访问](#1. 未实现多线程互斥访问)
[2. std::mutex实现互斥访问](#2. std::mutex实现互斥访问)
[3. condition_variable_any与mutex配合实现互斥访问](#3. condition_variable_any与mutex配合实现互斥访问)
[4. async，future与shared_future](#4. async，future与shared_future)
[5. atomic](#5. atomic)

引言

本文以生产者消费者模型作为例子，进行多线程技术的探讨。此外，将初步探讨async，future与atomic的使用。

1. 未实现多线程互斥访问

cpp 复制代码

#include<iostream>
#include<thread>
#include<deque>

using namespace std;

// 队列中最大的元素个数
#define MAX_SIZE 100
// 全局变量，用于元素编号计数
int g_count = 0;

// 定义消息队列类，模拟生产者消费者模型
class MQ {
private:
    deque<int> dq;
public:
    void get() {
        while (true) {
            if (!dq.empty()) {
                cout << "消费元素 " << dq.front() << endl;
                dq.pop_front();
            }
        }
    }; 

    void put() {
        while (true) {
            if (dq.size() < MAX_SIZE) {
                cout << "生产元素 " << g_count << endl;
                dq.push_back(g_count ++);
            }
        }
    }

};

// 由于main()函数在后面的章节中不会发生变化，不再展示main()函数代码
int main() {

    MQ mq;
    // 创建两个向队列添加元素的线程
    thread get_thread1(&MQ::get, &mq);
    thread get_thread2(&MQ::get, &mq);
    // 创建两个从队列取出元素的线程
    thread put_thread1(&MQ::put, &mq);
    thread put_thread2(&MQ::put, &mq);

    // 主线程阻塞等待所有子线程执行完毕
    get_thread1.join();
    get_thread2.join();
    put_thread1.join();
    put_thread2.join();
    return 0;
}

运行结果出错

由于main()函数在后面的章节中不会发生变化，将不再展示main()函数代码

2. std::mutex实现互斥访问

cpp 复制代码

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

// 队列中最大的元素个数
#define MAX_SIZE 100
// 全局变量，用于元素编号计数
int g_count = 0;

// 定义消息队列类，模拟生产者消费者模型
class MQ {
private:
    deque<int> dq;
    mutex mut;
public:
    void get() {
        while (true) {
            mut.lock(); // 加锁
            if (!dq.empty()) {
                cout << "消费元素 " << dq.front() << endl;
                dq.pop_front();
            }
            mut.unlock(); // 解锁
        }
    }; 

    void put() {
        while (true) {
            mut.lock();
            if (dq.size() < MAX_SIZE) {
                cout << "生产元素 " << g_count << endl;
                dq.push_back(g_count ++);
            }
            mut.unlock();
        }
    }

};

由于get()和put()的执行都需要获得互斥量mut才能执行业务逻辑，那么只要有其中一个线程获得互斥量mut，其他生产者和消费者线程都会阻塞等待互斥量mut的释放，因此可以实现对共享资源，也就是队列的互斥访问。

运行结果正常：

3. condition_variable_any与mutex配合实现互斥访问

cpp 复制代码

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<condition_variable>
#include<deque>

using namespace std;

// 队列中最大的元素个数
#define MAX_SIZE 100
// 全局变量，用于元素编号计数
int g_count = 0;

// 定义消息队列类，模拟生产者消费者模型
class MQ {
private:
    deque<int> dq;
    mutex mut;
    condition_variable_any getCond;
    condition_variable_any putCond;
public:
    void get() {
        while (true) {
            mut.lock();
            getCond.wait(mut, [this]{
                return !dq.empty();
            });
            // 在条件变量的唤醒条件中已经添加了!dq.empty()条件
            // 能够执行到这说明队列中一定有元素
            cout << "消费元素 " << dq.front() << endl;
            dq.pop_front();
            // 唤醒一个生产者线程
            putCond.notify_one();
            mut.unlock();
        }
    }; 

    void put() {
        while (true) {
            mut.lock();
            putCond.wait(mut, [this]{
                return dq.size() < MAX_SIZE;
            });
            cout << "生产元素 " << g_count << endl;
            dq.push_back(g_count ++);
            // 唤醒一个消费者线程
            getCond.notify_one();
            mut.unlock();
        }
    }

};

4. async，future与shared_future

cpp 复制代码

std::future<int> res = std::async(std::launch::deferred, myThread1);
// std::launch::deferred 延迟调用
	// 直到调用get()或wait()才会执行函数
	// 并且不会创建新线程，由调用get()或wait()的线程执行
// std::launch::async 创建新线程并立即执行
// std::launch::async | std::launch::deferred 
	// 默认参数，系统自行决定异步或者通过，延迟还是实时

std::thread 创建线程。如果系统资源紧张，程序会报错崩溃。

std::async 创建异步任务。默认情况下，会根据系统的资源情况，决定是否创建新线程执行任务。同时，比较容易拿到入口函数的返回结果。

std::async是否有创建新线程。

cpp 复制代码

std::future<int> result = std::async(myThread1);
std::future_status status = res.wait_for(std::chrono::seconds(0));
// std::future_status status = res.wait_for(0s); // ms s min h
if (status == std::future_status::deferred) {
    // 代表没有创建新线程
} else if (status == std::future_status::timeout || status == std::future_status::ready) {
    // 代表创建了新线程
}

主线程退出前会等待async任务返回，无论async是否创建了新的线程。async返回的future只能get()一次，get()使用的是移动语义。如果需要get()多次，需要将async()返回的future转换成shared_future，shared_future使用的是复制，因此可以get多次。

cpp 复制代码

std::future<int> result = std::async(&threadFun);
// cout << result.get() << endl;
// std::shared_future<int> shared_result = result.share(); // 方式一
// std::shared_future<int> shared_result(std::move(result)); // 方式二
if (result.valid()) { // 是否有效
    std::shared_future<int> shared_result(result.share()); // 方式三
    cout << shared_result.get() << endl;
    cout << shared_result.get() << endl;
    cout << shared_result.get() << endl;
}

5. atomic

普通变量值的写入和读取都不是原子操作，多线程操作可能获取到中间的结果，也就是错误的结果。atomic变量的操作是原子性的，常用于计数或者子线程退出标识。但是，并不是所有对atomic操作都是原子性的。

cpp 复制代码

std::atomic<int> g_atomic_count = 0; // 定义atomic变量
g_atomic_count ++; // 正确
g_atomic_count += 1; // 正确
g_atomic_count = g_atomic_count + 1; // 错误