C++第四十六弹---解锁多线程编程的奥秘：＜thread＞库深入探索

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目录

1 线程库

1.1 thread类的简单介绍

1.2 线程函数参数

1.3 原子性操作库(atomic)

1.4 lock_guard与unique_lock

1.4.1 mutex的种类

1.4.2 lock_guard

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 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/

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;

3. 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 

4. 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。
5. 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：

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)

2. 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。

3. 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。

4. 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