多线程以及线程锁的学习笔记

于 2020-10-29 10:58:40 发布
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原文链接：https://blog.youkuaiyun.com/ouyangfushu/article/details/80199140
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C++ 多线程 Thread（C++11）和线程锁的知识

参考文章：
https://blog.youkuaiyun.com/ouyangfushu/article/details/80199140
https://zhuanlan.zhihu.com/p/91062516

1.普通函数多线程调用：

无参数函数

    #include <thread>
    #include <iostream>
    #include <mutex>
    
    void hello_world(){
        std::cout << "This is thread t1" << std::endl;
    }
    int main(){
        std::thread t1(hello_world);
        t1.join();
        std::cout << "This is Main" << std::endl;
    }
    // 可以看到在线程的构造函数中，引入子线程的函数名

带参数函数

    #include <thread>
    #include <iostream>
    #include <mutex>
    
    void hello_world(int a, int b){
        std::cout << "This is thread t1" << std::endl;
        std::cout << " a + b = " << a+b << std::endl;
    }
    int main(){
        std::thread t1(hello_world, a, b);
        t1.join();
        std::cout << "This is Main" << std::endl;
    }
    // 可以看到在线程的构造函数中，参数也是一并加入的

2.join() & detach() 的区别

join()的作用前面已经提到，主线程等待子线程结束方可执行下一步（串行），detach()是的子线程放飞自我，独立于主线程并发执行，主线程后续代码段无需等待。看看效果：

join( ):

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

join()会阻塞主线程，直到子线程的结束。

detach( )

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
可以看到detach()使得主线程并行运行，意味着会像图中这样，输出不对头。

这里需要特别说明一点，也是一开始我迷糊的地方：无论是join还是detach，线程开始的地方都是在线程的构造函数处，一旦生成了子线程的对象，子线程就已经开始了，join & detach只是决定了主线程是否并行运行而已

3.数据同步，线程锁

无锁的尴尬

线程锁的作用是防止出现多个线程同时处理同一个共享数据，比如下面的情况：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <mutex>
#include <chrono>
#include <stdexcept>

int counter = 0;
void increase(int time) {
    for (int i = 0; i < time; i++) {
        // 当前线程休眠1毫秒
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
        counter++;
    }
}
int main(int argc, char** argv) {
    std::thread t1(increase, 10000);
    std::thread t2(increase, 10000);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "counter:" << counter << std::endl;
    return 0;
}

如果没有线程的相关概念，很容易理解为，increase两次，所以counter=20000，输出的结果是：

[root@2d129aac5cc5 demo]# ./mutex_demo1_no_mutex
counter:19997
[root@2d129aac5cc5 demo]# ./mutex_demo1_no_mutex
counter:19996

之所以出现这种情况是因为t1 和t2可能在某一个时刻同时处理了counter，比如：假定counter当前值为10，线程1读取到了10，线程2也读取到了10，分别执行自增操作，线程1和线程2分别将自增的结果写回counter，不管写入的顺序如何，counter都会是11，但是线程1和线程2分别执行了一次自增操作，我们期望的结果是12！！

加锁的情况

为了避免上述尴尬的情况，我们定义一个std::mutex对象用于保护counter变量。对于任意一个线程，如果想访问counter，首先要进行"加锁"操作，如果加锁成功，则进行counter的读写，读写操作完成后释放锁（重要!!!）； 如果“加锁”不成功，则线程阻塞，直到加锁成功。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <mutex>
#include <chrono>
#include <stdexcept>

int counter = 0;
std::mutex mtx; // 保护counter
void increase(int time) {
    for (int i = 0; i < time; i++) {
        mtx.lock();
        // 当前线程休眠1毫秒
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
        counter++;
        mtx.unlock();
    }
}
int main(int argc, char** argv) {
    std::thread t1(increase, 10000);
    std::thread t2(increase, 10000);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "counter:" << counter << std::endl;
    return 0;
}

这里再次说明：子线程并不是从join开始的，所以不会出现t1处理完了再处理t2的情况。也就是说当线程对象一建立，线程就开始了
简单总结一些std::mutex：

  1. 对于std::mutex对象，任意时刻最多允许一个线程对其进行上锁
  2. mtx.lock()：调用该函数的线程尝试加锁。如果上锁不成功，即：其它线程已经上锁且未释放，则当前线程block。如果上锁成功，则执行后面的操作，操作完成后要调用mtx.unlock()释放锁，否则会导致死锁的产生
  3. mtx.unlock()：释放锁
  4. std::mutex还有一个操作：mtx.try_lock()，字面意思就是：“尝试上锁”，与mtx.lock()的不同点在于：如果上锁不成功，当前线程不阻塞。

死锁了怎么解决

虽然std::mutex可以对多线程编程中的共享变量提供保护，但是直接使用std::mutex的情况并不多。因为仅使用std::mutex有时候会发生死锁。回到上边的例子，考虑这样一个情况：假设线程1上锁成功，线程2上锁等待。但是线程1上锁成功后，抛出异常并退出，没有来得及释放锁，导致线程2“永久的等待下去”（线程2：我的心在等待永远在等待……），此时就发生了死锁。给一个发生死锁的 ：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <mutex>
#include <chrono>
#include <stdexcept>

int counter = 0;
std::mutex mtx; // 保护counter

void increase_proxy(int time, int id) {
    for (int i = 0; i < time; i++) {
        mtx.lock();
        // 线程1上锁成功后，抛出异常：未释放锁
        if (id == 1) {
            throw std::runtime_error("throw excption....");
        }
        // 当前线程休眠1毫秒
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
        counter++;
        mtx.unlock();
    }
}

void increase(int time, int id) {
    try {
        increase_proxy(time, id);
    }
    catch (const std::exception& e){
        std::cout << "id:" << id << ", " << e.what() << std::endl;
    }
}

int main(int argc, char** argv) {
    std::thread t1(increase, 10000, 1);
    std::thread t2(increase, 10000, 2);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "counter:" << counter << std::endl;
    return 0;
}

运行结果是：

[root@2d129aac5cc5 demo]# ./mutex_demo3_dead_lock
id:1, throw excption....

程序并没有退出，而是永远的“卡”在那里了，也就是发生了死锁。

那么这种情况该怎么避免呢？ 这个时候就需要std::lock_guard登场了。std::lock_guard只有构造函数和析构函数。简单的来说：当调用构造函数时，会自动调用传入的对象的lock()函数，而当调用析构函数时，自动调用unlock()函数（这就是所谓的RAII，读者可自行搜索）。

为了避免死锁，加入lock_guard:

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <mutex>
#include <chrono>
#include <stdexcept>

int counter = 0;
std::mutex mtx; // 保护counter

void increase_proxy(int time, int id) {
    for (int i = 0; i < time; i++) {
        // std::lock_guard对象构造时，自动调用mtx.lock()进行上锁
        // std::lock_guard对象析构时，自动调用mtx.unlock()释放锁
        std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx);
        // 线程1上锁成功后，抛出异常：未释放锁
        if (id == 1) {
            throw std::runtime_error("throw excption....");
        }
        // 当前线程休眠1毫秒
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
        counter++;
    }
}

void increase(int time, int id) {
    try {
        increase_proxy(time, id);
    }
    catch (const std::exception& e){
        std::cout << "id:" << id << ", " << e.what() << std::endl;
    }
}
int main(int argc, char** argv) {
    std::thread t1(increase, 10000, 1);
    std::thread t2(increase, 10000, 2);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "counter:" << counter << std::endl;
    return 0;
}

巧妙之处在于，当发生异常的时候，lock_guard会自动调用析构函数，而释放锁的操作就在析构函数中，就很好解决了发生异常后不会释放锁的问题。

未完待续

这就是多线程和线程锁的基本知识，还有很多关于锁的知识，以后慢慢补充

补充1

没有真正运用过锁，很多概念都还存在于理所当然之中，其实理解是有错误的。
看下面的一个例子，猜一猜会不会输出：counter：2？

int counter_1 = 0;
std::mutex mtx; // 保护counter
void increase_1(int time) {
    mtx.lock();
    counter_1++;
    //mtx.unlock();
}

void increase_2(int time) {
	// mtx.lock();
    counter_1++;
    std::cout << "counter:" << counter_1 << std::endl;
}
int main(int argc, char** argv) {
    std::thread t1(increase_1, 10000);
    std::thread t2(increase_2, 10000);
    t1.join();
    t2.join();

    return 0;


counter:2

Process finished with exit code 0

答案是不会，我错误的以为，当上锁之后，获得锁之后，被该线程使用的变量都不能再被其他线程获得。但其实不是，锁的作用更像是一个标志位，作用在线程之间，当一个线程获得锁A之后，当另外一个线程也想获得这把锁时候，发现获得不了于是一直阻塞着。因为上面线程t2中并没有用注释掉的那行，所以正常可以使用counter变量。当去掉注释之后，t2将一直停在mtx.lock();那行。

再看这样的一个例子：

int counter_1 = 0;
boost::recursive_mutex Mutex;

void increase_1(int time) {
    boost::recursive_mutex::scoped_lock scopedLock_test(Mutex);
    counter_1++;
}

void increase_2(int time) {
    boost::recursive_mutex::scoped_lock scopedLock_test(Mutex);
    counter_1++;
    std::cout << "counter:" << counter_1 << std::endl;
}
int main(int argc, char** argv) {
    std::thread t1(increase_1, 10000);
    std::thread t2(increase_2, 10000);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

counter:2

Process finished with exit code 0

使用不同的锁机制，这里t2明明也上锁了，t1也没有解锁，但是还是获得了counter变量，这是因为这个boost::recursive_mutex::scoped_lock锁机制不同与前面例子的简单的std::mutex ，scoped_lock可以做到程序线程结束后自动释放锁。一般来说，越复杂的锁功能丰富但开销大。
如果上述increase_1（）中加入while（1）则会发现始终无法输出counter ：2。

总结：
锁并不是对变量做了什么，而是在线程之间做了一个标志位：它说明了当其他线程使用某一把锁后，其他线程就只能乖乖等这把锁，线程的程序暂停直到这把锁被释放。

Limiao_123
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