[C++复习——C++11新增语法第二节]——包装器、线程库、锁、原子库

于 2025-03-31 18:48:25 发布
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文章标签： c++ 算法 开发语言
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1.包装器

        function包装器：function包装器也叫作适配器。C++中的function本质是一个类模板，也是一个包装器。

        下面将通过例子讲解展示包装器的作用，但是再次之前需要一点有关静态变量的前置知识

相同模板实例（相同模板参数）：

  • 如果多次调用同一个实例化的模板函数（例如 func<int>()），其中的静态变量是同一个，所有调用共享该变量。

  • 静态变量在第一次调用时初始化，后续调用会保持其状态。

不同模板实例（不同模板参数）：

  • 如果模板参数不同（例如 func<int>() 和 func<double>()），每个实例化会生成独立的静态变量，彼此互不干扰。

  • 每个实例化都有自己的静态变量副本。

#include <iostream>
using namespace std;

template <class F, class T>
T useF(F f, T x)
{
    static int count = 0;
    cout << "count:" << ++count << endl;
    cout << "count:" << &count << endl;
    return f(x);
}
double f(double i)
{
    return i / 2;
}
struct Functor
{
    double operator()(double d)
    {
        return d / 3;
    }
};
int main()
{ // 函数名
    cout << useF(f, 11.11) << endl;
    // 函数对象
    cout << useF(Functor(), 11.11) << endl;
    // lamber表达式
    cout << useF([](double d) -> double{ return d / 4; }, 11.11)<< endl;
    return 0;
}

        通过上面的现象我们发现useF函数模版实例化了三份，这显然会降低我们程序的效率，那么这个时候包装器就上场了。

std::function 在头文件 < functional >
// 类模板原型如下
template < class T > function ;     // undefined
template < class Ret , class ... Args >
class function < Ret ( Args ...) > ;
模板参数说明：
        Ret : 被调用函数的返回类型
        Args…：被调用函数的形参 
// 使用方法如下：
#include <iostream>
#include <functional>

using namespace std;

int f(int a, int b)
{
    return a + b;
}
struct Functor
{
public:
    int operator()(int a, int b)
    {
        return a + b;
    }
};
class Plus
{
public:
    static int plusi(int a, int b)
    {
        return a + b;
    }
    double plusd(double a, double b)
    {
        return a + b;
    }
};
int main()
{
    // 函数名(函数指针)
    std::function<int(int, int)> func1 = f;
    cout << func1(1, 2) << endl;
    // 函数对象
    std::function<int(int, int)> func2 = Functor();
    cout << func2(1, 2) << endl;
    // lamber表达式
    std::function<int(int, int)> func3 = [](const int a, const int b)
    { return a + b; };
    cout << func3(1, 2) << endl;

    // 类的成员函数
    std::function<int(int, int)> func4 = &Plus::plusi;
    cout << func4(1, 2) << endl;
    std::function<double(Plus, double, double)> func5 = &Plus::plusd;
    cout << func5(Plus(), 1.1, 2.2) << endl;
    return 0;
}

        现在有了包装器我们来解决上面生成多个实例的问题

template <class F, class T>
T useF(F f, T x)
{
    static int count = 0;
    cout << "count:" << ++count << endl;
    cout << "count:" << &count << endl;
    return f(x);
}
double f(double i)
{
    return i / 2;
}
struct Functor
{
    double operator()(double d)
    {
        return d / 3;
    }
};
int main()
{ // 函数名
    std::function<double(double)> func1 = f;
    cout << useF(func1, 11.11) << endl;
    // 函数对象
    std::function<double(double)> func2 = Functor();
    cout << useF(func2, 11.11) << endl;
    // lamber表达式
    std::function<double(double)> func3 = [](double d) -> double
    { return d /
             4; };
    cout << useF(func3, 11.11) << endl;
    return 0;
}

        其实我们就是通过包装器完成了对这几个函数的包装，从而让编译器生成一份实例化对象

2.线程库

2.1 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。

        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，如果没有提供线程函数，该对象实际没有对应任何线程。

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

        gei_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，与主线程以前运动。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

#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()
{
    // 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();
    t2.join();
    t3.join();
    cout << "Main thread!" << endl;
    return 0;
}

        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，转移期间不影响线程的执行

        5.可以通过jionable()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

                采用无参改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jion或者detach结束

这里顺带提一到面试题：并发和并行的区别

        简单的说就是并发是多个进程交替执行，而并行是真正的多个进程一起执行

2.2 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。

#include <thread>
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
    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;
}

        注意：如果是类成员函数作为线程参数时，必须将this作为线程函数的第一个参数。

        注意看示例中的t2

void  text(int& a)
{std::cout<< ++a <<std::endl;}

class Text{
public:
    void text(int *a)
    {std::cout<<++*a<<std::endl;}
    void operator()(int *a)
    {std::cout<< ++*a<<std::endl;}
};

int main()
{
    int a = 10;
    std::thread t1(text,std::ref(a));
    t1.join();
    // Text T;
    // std::thread t2(&Text::text,&T,&a);
    Text T; auto tmp = std::bind(&Text::text,&T,std::placeholders::_1);
    // Text T;
    std::thread t2(tmp,&a);
    t2.join();
    // std::thread t3(text,std::ref(a));
    // t3.join();
    return 0;
}

2.3 原子性操作库

        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：

unsigned long sum = 0L;
std::mutex m;
atomic_long sum{0};

void fun(size_t num)
{
    for (size_t i = 0; i < num; ++i)
    {
        // m.lock();
        sum++;
        // m.unlock();
    }
}
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;
}

        C++98中传统的解决方式：可以对共享修改的资源进行加锁保护

unsigned long sum = 0L;
std::mutex m;
atomic_long sum{0};

void fun(size_t num)
{
    for (size_t i = 0; i < num; ++i)
    {
        m.lock();
        sum++;
        m.unlock();
    }
}
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;
}

   

        虽然加锁可以解决上面的问题，但是加锁有一个缺陷就是：只要有一个线程在对sum++时，其他线程就会被阻塞，会影响程序运行的效率，而且所如果控制的不好，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者一系列操作，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：使用以上原子操作变量时，必须添加头文件

#include <iostream>
using namespace std;
#include <thread>
#include <atomic>
atomic_long sum{0};
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;
}
        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 。
        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。

3.锁

3.1 锁的种类

        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

3.2 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unique_lock。

3.3 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)。

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