詳解C++11中的線程庫
一、線程庫的介紹
在C++11之前，涉及到多線程問題，都是和平臺相關的，比如windows和linux下各有自己的接口，這使得代碼的可移植性比較差。C++11中最重要的特性就是對線程進行支持了，使得C++在并行編程時不需要依賴第三方庫，而且在原子操作中還引入了原子類的概念。要使用標準庫中的線程，必須包含< thread >頭文件。
特點：跨平臺、面向對象封裝的類（每個線程是個類對象）。
其實現原理是封裝庫時使用了條件編譯，也就是說他的底層還是分別調用了不同平臺的線程API。
| 函數名 | 功能 |
|---|---|
| thread() | 構造一個線程對象，沒有關聯任何線程函數，即沒有啟動任何線程 |
| thread(fn,args1, args2,…) | 構造一個線程對象，并關聯線程函數fn，args1，args2，…為線程函數的參數 |
| get_id() | 獲取線程id |
| jionable() | 線程是否還在執(zhí)行，joinable代表的是一個正在執(zhí)行中的線程。 |
| jion() | 該函數調用后會阻塞住線程，當該線程結束后，主線程繼續(xù)執(zhí)行 |
| detach() | 在創(chuàng)建線程對象后馬上調用，用于把被創(chuàng)建線程與線程對象分離開，分離的線程變?yōu)楹笈_線程，創(chuàng)建的線程的"死活"就與主線程無關 |
1.1. 使用時的注意點
線程是操作系統(tǒng)中的一個概念，線程對象可以關聯一個線程，用來控制線程以及獲取線程的狀態(tài)
當創(chuàng)建一個線程對象后，沒有提供線程函數，該對象實際沒有對應任何線程。
#include <thread>
int main()
{
std::thread t1;
cout << t1.get_id() << endl;//0
return 0; }get_id()的返回值類型為id類型，id類型實際為std::thread命名空間下封裝的一個類，該類中包含了一個結構體：
// vs下查看
typedef struct
{ /* thread identifier for Win32 */
void *_Hnd; /* Win32 HANDLE */
unsigned int _Id;
} _Thrd_imp_t;當創(chuàng)建一個線程對象后，并且給線程關聯線程函數，該線程就被啟動，與主線程一起運行。線程函數一般情況下可按照以下三種方式提供：函數指針、lambda表達式、函數對象
#include <iostream>
using namespace std;
#include <thread>
void ThreadFunc(int a) {
cout << "Thread1" << a << endl; }
class TF
{
public:
void operator()()
{
cout << "Thread3" << endl;
}
};
int main()
// 線程函數為函數指針
thread t1(ThreadFunc, 10);
// 線程函數為lambda表達式
thread t2([]{cout << "Thread2" << endl; });
// 線程函數為函數對象
TF tf;
thread t3(tf);
t1.join();
t2.join();
t3.join();
cout << "Main thread!" << endl;
return 0; }4.thread類是防拷貝的，不允許拷貝構造以及賦值，但是可以移動構造和移動賦值，即將一個線程對象關聯線程的狀態(tài)轉移給其他線程對象，轉移期間不意向線程的執(zhí)行
5.可以通過jionable()函數判斷線程是否是有效的，如果是以下任意情況，則線程無效：
- 采用無參構造函數構造的線程對象(沒有提供線程函數，即這個線程本身就是無效的)
- 線程對象的狀態(tài)已經轉移給其他線程對象(資源被轉移)
- 線程已經調用jion或者detach結束(線程已結束，或者已經分離)
1.2. 線程函數參數
線程函數的參數是以值拷貝的方式拷貝到線程?？臻g中的，因此：即使線程參數為引用類型，在線程中修改后也不能修改外部實參，因為其實際引用的是線程棧中的拷貝，而不是外部實參。
注意：如果是類成員函數作為線程參數時，必須將this作為線程函數參數
1.3. join與detach
啟動了一個線程后，當這個線程結束的時候，如何去回收線程所使用的資源呢？thread庫給我們兩種選擇：
join()方式
join()：主線程被阻塞，當新線程終止時，join()會清理相關的線程資源，然后返回，主線程再繼續(xù)向下執(zhí)行，然后銷毀線程對象。由于join()清理了線程的相關資源，thread對象與已銷毀的線程就沒有關系了，因此一個線程對象只能使用一次join()，否則程序會崩潰。
采用jion()方式結束線程時，jion()的調用位置非常關鍵。為了避免該問題，可以采用RAII的方式對線程對象進行封裝，RAII ：利用對象聲明周期來管理線程資源，保證線程資源正常銷毀，資源獲取立即初始化，在構造函數中初始化資源，在析構函數中銷毀資源。 比如：
#include <thread>
class mythread
{
public:
explicit mythread(std::thread &t) :m_t(t){}
~mythread()
{
if (m_t.joinable())//判斷線程是否還在
m_t.join();
}
mythread(mythread const&)=delete;
mythread& operator=(const mythread &)=delete;
private:
std::thread &m_t;
};
void ThreadFunc() { cout << "ThreadFunc()" << endl; }
bool DoSomething() { return false; }
int main()
{
thread t(ThreadFunc);
mythread q(t);
if (DoSomething())
return -1;
return 0;
}detach()方式
detach()：該函數被調用后，新線程與線程對象分離，不再被線程對象所表達，就不能通過線程對象控制線程了，新線程會在后臺運行，其所有權和控制權將會交給c++運行庫。同時，C++運行庫保證，當線程退出時，其相關資源的能夠正確的回收。
注意：線程對象銷毀前，要么以jion()的方式等待線程結束，要么以detach()的方式將線程與線程對象分離。
二、原子性操作庫
多線程最主要的問題是共享數據帶來的問題(即線程安全)。如果共享數據都是只讀的，那么沒問題，因為只讀操作不會影響到數據，更不會涉及對數據的修改，所以所有線程都會獲得同樣的數據。但是，當一個或多個線程要修改共享數據時，就會產生很多潛在的麻煩。
2.1. atomic
雖然加鎖可以解決，但是加鎖有一個缺陷就是：只要一個線程在對sum++時，其他線程就會被阻塞，會影響程序運行的效率，而且鎖如果控制不好，還容易造成死鎖。
因此C++11中引入了原子操作。所謂原子操作：即不可被中斷的一個或一系列操作，C++11引入的原子操作類型，使得線程間數據的同步變得非常高效。
注意：原子類型通常屬于"資源型"數據，多個線程只能訪問單個原子類型的拷貝，因此在C++11中，原子類型只能從其模板參數中進行構造，不允許原子類型進行拷貝構造、移動構造以及operator=等，為了防止意外，標準庫已經將atmoic模板類中的拷貝構造、移動構造、賦值運算符重載默認刪除掉了。
#include<thread>
#include<atomic>
atomic<int>x = 0;
void Add(int n)
{
for (int i = 0; i < n; i++)
{
x++;
}
}
int main()
thread t1(Add, 10000);
thread t2(Add, 10000);
t1.join();
t2.join();
cout << x << endl;//20000
return 0;2.2. 鎖
在多線程環(huán)境下，如果想要保證某個變量的安全性，只要將其設置成對應的原子類型即可，即高效又不容易出現死鎖問題。但是有些情況下，我們可能需要保證一段代碼的安全性，那么就只能通過鎖的方式來進行控制。
1.lock、unlock:
線程函數調用lock()時，可能會發(fā)生以下三種情況：
- 如果該互斥量當前沒有被鎖住，則調用線程將該互斥量鎖住，直到調用 unlock之前，該線程一直擁有該鎖。
- 如果當前互斥量被其他線程鎖住，則當前的調用線程被阻塞住。
- 如果當前互斥量被當前調用線程鎖住，則會產生死鎖(同一線程，不可以連續(xù)調用兩次鎖)。
線程函數調用try_lock()時，可能會發(fā)生以下三種情況：
- 如果當前互斥量沒有被其他線程占有，則該線程鎖住互斥量，直到該線程調用 unlock 釋放互斥量。
- 如果當前互斥量被其他線程鎖住，則當前調用線程返回 false，而并不會被阻塞掉(非阻塞式)。
- 如果當前互斥量被當前調用線程鎖住，則會產生死鎖。
2.recursive_mutex:
允許同一個線程對互斥量多次上鎖（即遞歸上鎖），來獲得對互斥量對象的多層所有權，釋放互斥量時需要調用與該鎖層次深度相同次數的 unlock()，除此之外，recursive_mutex 的特性和mutex 大致相同。
3.timed_mutex:
比 mutex 多了兩個成員函數，try_lock_for()，try_lock_until()
try_lock_for()
接受一個時間范圍，表示在這一段時間范圍之內線程如果沒有獲得鎖則被阻塞?。ㄅc std::mutex的 try_lock() 不同，try_lock 如果被調用時沒有獲得鎖則直接返回 false），如果在此期間其他線程釋放了鎖，則該線程可以獲得對互斥量的鎖，如果超時（即在指定時間內還是沒有獲得鎖），則返回 false。
try_lock_until()
接受一個時間點作為參數，在指定時間點未到來之前線程如果沒有獲得鎖則被阻塞住，如果在此期間其他線程釋放了鎖，則該線程可以獲得對互斥量的鎖，如果超時（即在指定時間內還是沒有獲得鎖），則返回 false。
int sum = 0;
timed_mutex Lock;
chrono::milliseconds timeout(100);//100毫秒
void func(int number)
{
for (int i = 0; i < number; i++)
{
//Lock.try_lock_for(timeout);//接收一個時間范圍
Lock.try_lock_until(chrono::steady_clock::now() + timeout);//接收一個時間點
sum++;
Lock.unlock();
}
}4.recursive_timed_mutex
是recursive_mutex、timed_mutex兩種鎖的結合。
5.lock_guard(守衛(wèi)鎖):
加鎖和解鎖的過程，通過類的構造和析構來自動控制加鎖和釋放鎖(RAII思想)
template<class _Mutex>
class lock_guard
{
public:
// 構造函數加鎖
explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx)
: _MyMutex(_Mtx)
{
_MyMutex.lock();
}
//通過析構函數釋放鎖
~lock_guard() _NOEXCEPT
_MyMutex.unlock();
//防拷貝和防賦值
lock_guard(const lock_guard&) = delete;
lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
_Mutex& _MyMutex;
};int sum = 0;
mutex Lock;
void func(int number)
{
for (int i = 0; i < number; i++)
{
lock_guard<mutex> lg(Lock);
sum++;
}
}lock_guard類模板主要是通過RAII的方式，對其管理的互斥量進行了封裝，在需要
加鎖的地方，只需要用上述介紹的任意互斥體實例化一個lock_guard，調用構造函數成功上鎖，出作用域前，lock_guard對象要被銷毀，調用析構函數自動解鎖，可以有效避免死鎖問題。
lock_guard的缺陷：太單一，用戶沒有辦法對該鎖進行控制，因此C++11又提供了unique_lock。
6.unique_lock
與lock_gard類似，unique_lock類模板也是采用RAII的方式對鎖進行了封裝，并且也是以獨占所有權的方式管理mutex對象的上鎖和解鎖操作，即其對象之間不能發(fā)生拷貝。在構造(或移動(move)賦值)時，unique_lock 對象需要傳遞一個 Mutex 對象作為它的參數，新創(chuàng)建的 unique_lock 對象負責傳入的 Mutex對象的上鎖和解鎖操作。使用以上類型互斥量實例化unique_lock的對象時，自動調用構造函數上鎖，unique_lock對象銷毀時自動調用析構函數解鎖，可以很方便的防止死鎖問題。 與lock_guard不同的是，unique_lock更加的靈活，提供了更多的成員函數：
- 上鎖/解鎖操作：lock、try_lock、try_lock_for、try_lock_until和unlock
- 修改操作：移動賦值、交換(swap：與另一個unique_lock對象互換所管理的互斥量所有權)、釋放(release：返回它所管理的互斥量對象的指針，并釋放所有權)
- 獲取屬性：owns_lock(返回當前對象是否上了鎖)、operator bool()(與owns_lock()的功能相同)、mutex(返回當前unique_lock所管理的互斥量的指針)。
三、使用lambda表達式創(chuàng)建多個線程
#include<iostream>
#include<thread>
#include<atomic>
#include<vector>
using namespace std;
int main()
{
atomic<int>x = 0;
//m個線程對x加n次
int m, n;
cin >> m >> n;
vector<thread>vthreads;
for (int i = 0; i < m; i++)
{
vthreads.push_back(thread([&x](int count) {
for (int i = 0; i < count; i++)
{
x++;
}
}, n));
}
for (auto& t : vthreads)
cout << t.get_id() <<".join()" << endl;
t.join();
cout << x << endl;
return 0;
}
四、條件變量
需要注意的是，傳入wait的鎖不能是lock_guard，這是因為lock_guard沒有解鎖接口
喚醒：
Notify one -> 喚醒一個
notify_all -> 喚醒一批
#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<condition_variable>
using namespace std;
int main()
{
int n = 20;
mutex mtx1,mtx2;
unique_lock<mutex> t;
condition_variable cv1,cv2;
//使用兩個線程打印0-n的數，一個打印奇數，一個打印偶數
thread t1([&]()
{
for (int i = 0; i < n; i+=2)
{
cout << this_thread::get_id() << ":" << i << endl;
cv2.notify_one();//打印偶數以后通知t2
unique_lock<mutex> lock(mtx1);
cv1.wait(lock);
}
});
thread t2([&]()
{
for (int i = 1; i < n; i+=2)
{
unique_lock<mutex> lock(mtx2);
cv2.wait(lock);
cout << this_thread::get_id() << ":" << i << endl;
cv1.notify_one();//t2打印奇數以后，通知t1
}
});
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
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