C++多线程

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C++多线程

一、线程库thread

1.1 线程对象的构造

1.2 thread类的成员函数

1.3 this_thread类

1.4 线程函数的参数问题

二、互斥量库mutex

2.1 mutex的种类

2.2 lock_guard与unique_lock

三、原子性操作库atomic

四、条件变量库condition_variable

五、实现两个线程交替打印1-100

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下有各自的接口，这使得代码的可移植性较差。C++11中最重要的特性就是对线程进行了支持，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

一、线程库thread

1.1 线程对象的构造

调用无参构造函数

thread提供了无参构造函数，调用无参构造函数创建出来的线程对象没有关联任何线程函数，即没有启动任何线程

thread t;

由于thread提供了移动赋值函数，因此当后续需要让该线程对象与线程函数关联时，可以以带参的方式创建一个匿名对象，然后调用移动赋值将该匿名对象关联线程的状态转移给该线程对象

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
void func(int num)
{for (int i = 0; i < num; ++i) {cout << i << endl;}
}
int main()
{thread t;//...t = thread(func, 100);t.join();return 0;
}

调用带参构造函数

template <class Fn, class... Args>
explicit thread (Fn&& fn, Args&&... args);

fn：可调用对象，比如函数指针、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。

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
void func(int num)
{for (int i = 0; i < num; i++) {cout << i << endl;}
}
int main()
{thread t(func, 10);t.join();return 0;
}

调用移动构造函数

thread提供了移动构造函数，能够用一个右值线程对象来构造一个线程对象

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
void func(int num)
{for (int i = 0; i < num; ++i) {cout << i << endl;}
}
int main()
{thread t = thread(func, 10);t.join();return 0;
}

注意：

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
若创建线程对象时没有提供线程函数，那么该线程对象实际没有对应任何线程。
若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，不允许拷贝构造和拷贝赋值，但是可以移动构造和移动赋值，可以将一个线程对象关联线程的状态转移给其他线程对象，并且转移期间不影响线程的执行

1.2 thread类的成员函数

thread类中常用的成员函数如下：

joinable()函数还可以用于判定线程是否是有效的，若是以下任意情况，则线程无效：

采用无参构造函数构造的线程对象（该线程对象没有关联任何线程）
线程对象的状态已经转移给其他线程对象（已经将线程交给其他线程对象管理）
线程已经调用join或detach结束（线程已经结束）

启动一个线程后，当这个线程退出时，需要对该线程所使用的资源进行回收，否则可能会导致内存泄露等问题。thread库提供了两种回收线程资源的方式：

join方式

主线程创建新线程后，可以调用join()函数等待新线程终止，当新线程终止时join()函数就会自动清理线程相关的资源。join()函数清理线程的相关资源后，thread对象与已销毁的线程就没有关系了，因此一个线程对象一般只会使用一次join()，否则程序会崩溃

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
void func(int n)
{for (int i = 0; i < n; i++) {cout << i << endl;}
}
int main()
{thread t(func, 10);t.join();t.join(); //程序崩溃return 0;
}

但如果一个线程对象join后，又调用移动赋值函数，将一个右值线程对象的关联线程的状态转移过来了，那么这个线程对象又可调用一次join

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
void func(int n)
{for (int i = 0; i < n; i++) {cout << i << endl;}
}
int main()
{thread t(func, 10);t.join();t = thread(func, 10);t.join();return 0;
}

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。如在该线程被join前，若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

#include <iostream>
#include <thread>
#include <windows.h>
using namespace std;
void func(int num)
{for (int i = 0; i < num; i++) {cout << i << endl;}
}
bool DoSomething(){ return false; }
int main()
{thread t(func, 10);Sleep(3);if (!DoSomething()) return -1;t.join(); //不会被执行return 0;
}

因此采用join方式结束线程时，join()函数的调用位置非常关键，为了避免上述问题，可以采用RAII的方式对线程对象进行封装，即利用对象的生命周期来控制线程资源的释放

#include <iostream>
#include <thread>
#include <windows.h>
using namespace std;
class Thread
{
public:Thread(thread& t):_thread(t) {}~Thread() {if (_thread.joinable()) _thread.join();}
private://防拷贝Thread(const Thread&) = delete;Thread& operator=(const Thread&) = delete;
private:thread& _thread;
};void func(int num)
{for (int i = 0; i < num; i++) {cout << i << endl;}
}
bool DoSomething(){ return false; }
int main()
{thread t(func, 10);Thread T(t);Sleep(3);if (!DoSomething()) return 1;return 0;
}

每当创建一个线程对象后，就用Thread类对其进行封装产生一个Thread对象。
当Thread对象生命周期结束时就会调用析构函数，在析构中会通过joinable()判断这个线程是否需要被join，若需要那么就会调用join对其该线程进行等待

detach方式

主线程创建新线程后，也可以调用detach函数将新线程与主线程进行分离，分离后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，此时C++运行库会保证当线程退出时，其相关资源能够被正确回收

使用detach的方式回收线程的资源，一般在线程对象创建好之后就立即调用detach函数。
否则线程对象可能会因为某些原因，在后续调用detach函数分离线程之前被销毁掉，这时就会导致程序崩溃。
因为当线程对象被销毁时会调用thread的析构函数，而在thread的析构函数中会通过joinable判断这个线程是否需要被join，如果需要那么就会调用terminate终止当前程序（程序崩溃）

1.3 this_thread类

函数名	功能
get_id	获取当前线程ID
yeild	当前线程出让时间片，CPU调度其他时间片
sleep_until	使调用线程休眠到一个固定时间(绝对时间)
sleep_for	使调用线程休眠一个时间段(相对时间)

当想获取线程ID时，可以通过线程对象的get_id()接口，但想在与线程关联的线程函数中获取线程ID，这个办法就行不通了，可以调用this_thread类中的接口get_id()

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
void func()
{cout << this_thread::get_id() << endl;
}
int main()
{thread t(func);t.join();return 0;
}

1.4 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，就算线程函数的参数为引用类型，在线程函数中修改后也不会影响到外部实参，因为其实际引用的是线程栈中的拷贝，而不是外部实参

若要通过线程函数的形参改变外部的实参，可以参考以下三种方法：

方法一：借助std::ref()

当线程函数的参数类型为引用类型时，若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

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
void add(int& num) {num++;
}
int main()
{int num = 0;thread t(add, ref(num));t.join();cout << num << endl;return 0;
}

方法二：指针地址

将线程函数的参数类型改为指针类型，将实参的地址传入线程函数，此时在线程函数中可以通过修改该地址处的变量，进而影响到外部实参

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
void add(int* num) {++(*num);
}
int main()
{int num = 0;thread t(add, &num);t.join();cout << num << endl;return 0;
}

方法三：lambda表达式

将lambda表达式作为线程函数，利用lambda函数的捕捉列表，以引用的方式对外部实参进行捕捉，此时在lambda表达式中对形参的修改也能影响到外部实参

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
int main()
{int num = 0;thread t([&num](){ ++num; });t.join();cout << num << endl;return 0;
}

二、互斥量库mutex

2.1 mutex的种类

在C++11中，mutex类中总共包了四种互斥量

std::muetx

mutex锁是C++11提供的最基本的互斥量，mutex对象之间不能进行拷贝，也不能进行移动

常用成员函数如下：

线程函数调用lock时：

若该互斥量当前没有被其他线程获取，则调用线程获取互斥量，直到调用unlock()之前，该线程一直拥有该锁
若该互斥量已经被其他线程获取，则当前的调用线程会被阻塞，直至其他线程将互斥量释放
若当前线程已获取该互斥量，却又调用lock()，则会产生死锁（deadlock）

线程调用try_lock时：

若该互斥量当前没有被其他线程获取，则调用线程获取该互斥量，直到调用unlock()之前，该线程一直拥有该锁
若该互斥量已经被其他线程获取，则try_lock()调用返回false，调用线程不会被阻塞
若当前线程已获取该互斥量，却又调用try_lock()，则会产生死锁（deadlock）

std:recursive_mutex

recursive_mutex被称为递归互斥锁，该锁专门用于递归函数中的加锁操作

若在递归函数中使用mutex互斥锁进行加锁，那么在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

recursive_mutex也提供了lock、try_lock和unlock成员函数，其的特性与mutex大致相同

std::timed_mutex

timed_mutex中提供了以下两个成员函数：

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若没有获得锁则被阻塞住，若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，若超时（即在指定时间之内还是没有获得锁），则返回false
try_lock_untill：接受一个时间点作为参数，在指定时间点未到来之前线程若没有获得锁则被阻塞，若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，若超时（即在指定时间点到来时还是没有获得锁），则返回false

timed_mutex也提供了lock、try_lock和unlock成员函数，其的特性与mutex相同

std::recursive_timed_mutex

recursive_timed_mutex就是recursive_mutex和timed_mutex的结合，recursive_timed_mutex既支持在递归函数中进行加锁操作，也支持定时尝试申请锁

2.2 lock_guard与unique_lock

使用互斥锁时可能出现的问题

使用互斥锁时，若在加锁区域抛出异常，则后续的解锁代码则不会执行，导致此后所有申请该锁的线程都被阻塞。或者加锁的范围太大，那么极有可能在中途返回时忘记了解锁

因此C++11采用RAII的方式对锁进行了封装，于是就有了lock_guard和unique_lock

lock_guard

lock_guard是C++11中的一个模板类

template <class Mutex>
class lock_guard;

lock_guard类模板主要是通过RAII的方式，对其管理的互斥锁进行了封装

在需要加锁的地方，用互斥锁实例化一个lock_guard对象，在lock_guard的构造函数中会调用lock()进行加锁
当lock_guard对象出作用域前会自动调用析构函数，而在lock_guard的析构函数中调用了unlock()自动解锁

从lock_guard对象定义到该对象析构，这段区域的代码都属于互斥锁的保护范围。若只想保护某一段代码，可以通过定义匿名的局部域来控制lock_guard对象的生命周期

#include <iostream>
#include <mutex>
using namespace std;
mutex mtx;
void func()
{//匿名局部域{lock_guard<mutex> lg(mtx); //调用构造函数加锁if (true) {return; //调用析构函数解锁}} //调用析构函数解锁
}
int main()
{func();return 0;
}

模拟实现lock_guard

lock_guard类中包含一个锁成员变量（引用类型），这个锁就是lock_guard对象管理的互斥锁
调用lock_guard的构造函数时需要传入一个被管理互斥锁，用该互斥锁来初始化锁成员变量后，调用互斥锁的lock函数进行加锁
lock_guard的析构函数中调用互斥锁的unlock进行解锁
需要删除lock_guard类的拷贝构造和拷贝赋值，lock_guard类本身也是不支持拷贝的

template<class Mutex>
class lock_guard
{
public:lock_guard(Mutex& mtx) :_mtx(mtx) {mtx.lock(); //加锁}~lock_guard() {mtx.unlock(); //解锁}	
private:lock_guard(const lock_guard&) = delete;lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:Mutex& _mtx;
};

unique_lock

由于lock_guard太单一，用户没有办法对锁进行控制，因此C++11又提供了unique_lock

unique_lock与lock_guard类似，unique_lock类模板也是采用RAII的方式对锁进行了封装。在创建unique_lock对象调用构造函数时也会调用lock进行加锁，在unique_lock对象销毁调用析构函数时也会调用unlock进行解锁

但lock_guard不同的是，unique_lock更加的灵活，提供了更多的成员函数：

加锁/解锁操作：lock()、try_lock()、try_lock_for()、try_lock_until()与unlock()
修改操作：移动赋值、swap、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）

如下场景就适合使用unique_lock：

要用互斥锁保护func1()的大部分代码，但是中间有一小块代码调用了func2()，而func2()不需要用func1()中的互斥锁进行保护，func2()内部的代码由其他互斥锁进行保护
因此在调用func2()之前需要对当前互斥锁进行解锁，当func()调用返回后再进行加锁，这样当调用func2()时其他线程调用func1()就能够获取到这个锁

三、原子性操作库atomic

线程安全问题

多线程最主要的问题是共享数据带来的问题（即线程安全）。若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

上述代码中分别让两个线程对同一个变量num进行了100000次++操作，理论上最终num的值应该是200000，但最终打印出n的值却是小于200000的

根本原因就是++操作并不是一个原子操作，该操作分为三步：

load：将共享变量n从内存加载到寄存器中
update：更新寄存器里面的值，执行+1操作
store：将新值从寄存器写回共享变量num的内存地址

++操作对应的汇编代码如下：

因此可能当线程1刚将num的值加载到寄存器中就被切走了，也就是只完成了++操作的第一步，而线程2可能顺利完成了一次完整的++操作才被切走，而这时线程1继续用之前加载到寄存器中的值完成剩余的两步操作，最终就会导致两个线程分别对共享变量num进行了一次++操作，但最终num的值却只被++了一次

加锁解决线程安全问题

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
using namespace std;
void func(int& num, int count, mutex& mtx)
{mtx.lock();for (int i = 0; i < count; i++) {//mtx.lock();++num;//mtx.unlock();}mtx.unlock();
}
int main()
{int num = 0;int count = 100000; //每个线程对num++的次数mutex mtx;thread t1(func, ref(num), count, ref(mtx));thread t2(func, ref(num), count, ref(mtx));t1.join();t2.join();cout << num << endl;return 0;
}

可以选择在for循环体里面进行加锁解锁，也可以选择在for循环体外进行加锁解锁。但效果终究是不尽人意的，在for循环体里面进行加锁解锁会导致线程的频繁进行加锁解锁操作，在for循环体外面进行加锁解锁会导致两个线程的执行逻辑变为串行

原子类解决线程安全问题

注意： 需要用大括号对原子类型的变量进行初始化

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
using namespace std;
void func(atomic_int& num, int count)
{for (int i = 0; i < count; i++) {++num;}
}
int main()
{atomic_int num = { 0 };int count = 100000; //每个线程对n++的次数thread t1(func, ref(num), count);thread t2(func, ref(num), count);t1.join();t2.join();cout << num << endl; //打印n的值return 0;
}

原子类型通常属于"资源类型"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atomic模板类中的拷贝构造、移动构造、operator=默认删除
原子类型不仅仅支持原子的++操作，还支持原子的--、+=、-=、与、或、异或操作

原子操作原理CAS

在对变量进行计算之前(如 ++ 操作)，首先读取原变量值，称为 旧的预期值 A
然后在更新之前再获取当前内存中的值，称为 当前内存值 V
如果 A==V 则说明变量从未被其他线程修改过，此时将会写入新值 B
如果 A!=V 则说明变量已经被其他线程修改过，当前线程应当重新++

四、条件变量库condition_variable

wait系列成员函数

wait系列成员函数的作用就是让调用线程进行阻塞等待，包括wait()、wait_for()、wait_until()

下面以wait为例，wait()函数提供了两个不同的版本：

void wait(unique_lock<mutex>& lck);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函数时除了需要传入一个互斥锁，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，调用传入的可调用对象若返回值为false才会阻塞；被唤醒后也会调用该对象，若可调用对象的返回值为false，那么该线程还需要继续被阻塞

while (!pred()) wait(lck); == wait()版本二

为什么调用wait系列函数时需要传入一个互斥锁？

因为wait系列函数一般是在临界区中调用的，为了让当前线程调用wait()阻塞时其他线程能够获取到锁，因此调用wait系列函数时需要传入一个互斥锁，当线程被阻塞时这个互斥锁会被自动解锁，而当这个线程被唤醒时，又会自动获得这个互斥锁
因此wait系列函数实际上有两个功能，一个是让线程在条件不满足时进行阻塞等待，另一个是让线程将对应的互斥锁进行解锁

wait_for和wait_until函数的使用方式与wait函数类似：

wait_for函数也提供了两个版本的接口，只不过这两个版本的接口都比wait函数对应的接口多了一个参数，这个参数是一个时间段，表示让线程在该时间段内进行阻塞等待，如果超过这个时间段则线程被自动唤醒
wait_until函数也提供了两个版本的接口，只不过这两个版本的接口都比wait函数对应的接口多了一个参数，这个参数是一个具体的时间点，表示让线程在该时间点之前进行阻塞等待，若超过这个时间点则线程被自动唤醒
线程调用wait_for或wait_until函数在阻塞等待期间，其他线程调用notify系列函数也可以将其唤醒。此外，若调用的是wait_for或wait_until函数的第二个版本的接口，那么当线程被唤醒后还需要调用传入的可调用对象，若可调用对象的返回值为false，那么当前线程还需要继续被阻塞

注意： 调用wait系列函数时，传入互斥锁的类型必须是unique_lock

notify系列成员函数

notify系列成员函数的作用就是唤醒等待的线程，包括notify_one和notify_all

notify_one：唤醒等待队列中的首个线程，若等待队列为空则什么也不做
notify_all：唤醒等待队列中的所有线程，若等待队列为空则什么也不做

注意： 条件变量下可能会有多个线程在进行阻塞等待，其会被放到一个等待队列中进行排队

五、实现两个线程交替打印1-100

尝试用两个线程交替打印1-100的数字，要求一个线程打印奇数，另一个线程打印偶数，并且打印数字从小到大依次递增

该题目主要考察的就是线程的同步和互斥

互斥：两个线程都在向控制台打印数据，为了保证两个线程的打印数据不会相互影响，因此需要对线程的打印过程进行加锁保护
同步：两个线程必须交替进行打印，因此需要用到条件变量让两个线程进行同步，当一个线程打印完再唤醒另一个线程进行打印

但只有同步和互斥是无法满足题目要求的，无法保证哪一个线程会先进行打印，不能说先创建的线程就一定先打印，后创建的线程先打印也是有可能的

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <condition_variable>
using namespace std;
int main()
{int i = 1;int n = 100;mutex mtx;condition_variable cv;size_t flag = 1;//1 or 2 代表哪个线程可以打印//奇数thread t1([&]() {while (i < n)//最大99{unique_lock<mutex> lock(mtx);cv.wait(lock, [&flag]()->bool { return flag == 1; });cout << this_thread::get_id() << ":" << i << endl;i += 1;flag = 2;cv.notify_one();}});//偶数thread t2([&]() {while (i <= n)//最大100{unique_lock<mutex> lock(mtx);cv.wait(lock, [&flag]()->bool { return flag == 2; });cout << this_thread::get_id() << ":" << i << endl;i += 1;flag = 1;cv.notify_one();}});this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));cout << "t1:" << t1.get_id() << endl;cout << "t2:" << t2.get_id() << endl;t1.join();t2.join();return 0;
}

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一、线程库thread

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三、原子性操作库atomic

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