【C++11】C++线程库和原子性操作库和锁以及条件变量的使用

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/2302_81250321/article/details/143445529

如果大家对线程没有概念，可以看看我的这个专栏线程

thread类的介绍

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，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;
}

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;

如果你想方便的获得int的id，可以这样this_thread::get_id()来获得

this_thread这个类提供了get_id()函数，可以获得线程id

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

#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，转移期间不意向线程的执行。

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

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 <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
	//thread t1(ThreadFunc1, a);//这样写是错误的，引用类型的话不能直接传值
	//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，通过指针修改
	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作为线程函数参数

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：

#include <iostream>
using namespace std;
#include <thread>
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;
}

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。

#include <iostream>
using namespace std;
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex m;
unsigned long sum = 0L;


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，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 #include<atomic>

#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。

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 <atomic>
int main()
{
	atomic<int> a1(0);
	// atomic<int> a2(a1);    // 编译失败
	atomic<int> a2(0);
	// a2 = a1;               // 编译失败
	return 0;
}

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。

递归时使用

#include <mutex>

int x = 0;
recursive_mutex mtx;

void Func(int n)
{
	if (n == 0)
		return;

	mtx.lock();
	++x;

	Func(n - 1);

	mtx.unlock();
}

int main()
{
	thread t1(Func, 10000);
	thread t2(Func, 20000);

	t1.join();
	t2.join();

	cout << x << endl;

	return 0;
}

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

同理

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。

下面可以利用lock_guard来解决抛异常死锁问题

#include<iostream>
#include<thread>
#include <mutex>


using namespace std;
int x = 0;
mutex mtx;

void Func(int n)
{
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		try
		{
			lock_guard<mutex> lock(mtx);
			++x;
			// .... 抛异常
			if (rand() % 3 == 0)
			{
				throw exception(/*"抛异常"*/);
			}

		}
		catch (const exception &e)
		{
			cout << e.what() << endl;
		}
	}
}

int main()
{

	thread t1(Func, 10);

	t1.join();

	cout << x << endl;

	return 0;
}

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)。

condition_variable

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。

如果资源不就绪，就wait等待，如果持有锁就解锁，被唤醒了函数返回又重新持有锁
notify唤醒条件变量下的线程，如果条件变量下没有线程，就什么都不做，如果有就唤醒第一个线程

wait中提供了两个方法，一个是直接wait，一个是通过pred（相当于函数对象）的真假来判断是否wait，假就wait

下面利用condition_variable支持两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数

第一种方法利用第一个wait方法

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

using namespace std;
// 支持两个线程交替打印，t1打印奇数，t2一个打印偶数
int main()
{
	mutex mtx;
	condition_variable cv;

	int n = 100;
	int x = 2;

	thread t1([&, n]()
			  {
		while (1)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mtx);
			if (x >= 100)
				break;

			if (x % 2 == 0) // 偶数就阻塞
			{
				cv.wait(lock);
			}

			cout << this_thread::get_id() << ":" << x << endl;
			++x;

			cv.notify_one();
		} });

	thread t2([&, n]()
			  {
		while (1)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mtx);
			if (x > 100)
				break;

			if (x % 2 != 0) // 奇数就阻塞
			{
				cv.wait(lock);
			}


			cout << this_thread::get_id() << ":" << x << endl;
			++x;

			cv.notify_one();
		} });

	t1.join();
	t2.join();

	return 0;
}

第二种方法利用第二个wait方法

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

using namespace std;
// 支持两个线程交替打印，t1打印奇数，t2一个打印偶数
int main()
{
	mutex mtx;
	condition_variable cv;

	int n = 100;
	int x = 2;

	thread t1([&, n]()
			  {
		while (1)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mtx);
			if (x >= 100)
				break;

			cv.wait(lock, [&x]() {return x % 2 != 0; }); // 偶数就阻塞

			cout << this_thread::get_id() << ":" << x << endl;
			++x;

			cv.notify_one();
		} });

	thread t2([&, n]()
			  {
		while (1)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mtx);
			if (x > 100)
				break;

			cv.wait(lock, [&x](){return x % 2 == 0; });// 奇数就阻塞


			cout << this_thread::get_id() << ":" << x << endl;
			++x;

			cv.notify_one();
		} });

	t1.join();
	t2.join();

	return 0;
}