C++11并发编程——多线程

引言

C++11 引入了 thread 类，降低了使用多线程的复杂度，原先使用多线程只能用系统的 API，无法解决跨平台问题，代码平台的改变，对应多线程代码也必须要修改。
在 C++11 中只需使用语言层面的 thread 可以解决这个问题。编写并发程序需引入头文件。

1线程库

 管理当前线程的函数，定义于thread

1.2构造函数和赋值

构造函数	功能
thread() ;	①默认构造函数，构造不表示线程的新 thread 对象
thread( thread&& other );	②移动构造函数。构造表示曾为 other 所表示的执行线程的 thread 对象。此调用后 other 不再表示执行线程。
template< class Function, class… Args >explicit thread( Function&& f, Args&&… args );	③初始化构造函数；构造新的 std::thread 对象并将它与执行线程关联。

拷贝构造函数被禁用，std::thread 对象不可拷贝构造,也不可以赋值。

1.2.1初始化构造函数和默认构造函数的使用

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

void threadfun(int a)//值传递
{
    cout << "threadfun: " << endl;
    cout << a << endl;
}

int main()
{
    // ①默认构造函数，构造不表示线程的新 thread 对象（很少使用）
    thread th1();

    //③构造新的 std::thread 对象并将它与执行线程关联。
    thread th3(threadfun, 3);//创建 std::thread 执行对象，线程调用 threadFun 函数，函数参数为 args。    
    
    cout << "main end" << endl;
        
    th3.join();//使th3线程执行完毕(可尝试挪动这条语句位置，观察结果)

    return 0;
}

1.2.2移动构造函数的使用

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

void threadfun(int a)//值传递
{
    cout << "threadfun: " << endl;
    cout << a << endl;
}

int main()
{   
    //③构造新的 std::thread 对象并将它与执行线程关联。
    thread th3(threadfun, 3);
    
    thread th2(std::move(th3));//移动构造函数(th3线程失去所有权)

    cout << "main end" << endl;        
    
    th2.join();

    return 0;
}

1.3成员函数

成员函数	功能
std::thread::id get_id() ;	:获取线程 ID，返回类型 std::thread::id 对象。()
void join();	创建线程执行线程函数，调用该函数会阻塞当前线程，直到线程执行完 join 才返回。
void detach();	从 thread 对象分离执行线程，允许执行独立地持续。一旦该线程退出，则释放任何分配的资源。detach 调用之后，目标线程就成为了守护线程，驻留后台运行，与之关联的 std::thread 对象失去对目标线程的关联，无法再通过 std::thread 对象取得该线程的控制权。
bool joinable() const ;	检查 std::thread 对象是否标识活跃的执行线程。
void swap( std::thread& other ) ;	交换二个 thread 对象的底层柄。
static unsigned int hardware_concurrency() ;	返回实现支持的并发线程数。

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

void threadfun(int &a)//引用
{
    cout << "threadfun: " << endl;
    cout << "thread id: " << std::this_thread::get_id << endl;
    cout <<"a = "<< (a += 10 )<< endl;    
}

int main()
{
    int a = 3;
    int b = 5;
    cout << "支持的并发线程数: " << std::thread::hardware_concurrency() << endl;
    thread th1(threadfun, std::ref(a)); 
    thread th2(threadfun, std::ref(b));
   
    cout << "th1.get_id: " << th1.get_id() << endl;
    cout << "th2.get_id: " << th2.get_id() << endl;

    cout << "after starting: " << th1.joinable() <<endl;
    th1.join();
    cout << "after  join: " << th1.joinable() << endl;    

    cout << "main end" << endl;       
    th2.join();    

    return 0;
}

1.4拓展：.创建建线程，线程函数为类成员函数

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;
class Object
{
private:
    int value;
public:
    Object(int x = 0) :value(x)
    {
        cout << "Constructor Object: " << this << endl;
    }
    ~Object()
    {
        cout << "Destroy Object: " << this << endl;
    }
    void fun(string info)
    {
        cout << info << value << endl;
    }
};
int main()
{
    Object obj;
    string str = "我是一个类的成员函数！";
    thread t1(&Object::fun, &obj, str);
    t1.join();

    return 0;
}

2.管理当前线程的函数（定义于命名空间 this_thread）

管理当前线程的函数	功能
void yield() ;	建议实现重新调度各执行线程,可以将本线程的 CPU 时间片放弃，并允许其他线程运行。
template< class Rep, class Period >void sleep_for( const std::chrono::duration<Rep, Period>& sleep_duration );	阻塞当前线程执行，至少经过指定的 sleep_duration 。（使当前线程的执行停止指定的时间段）
template< class Clock, class Duration >void sleep_until( const std::chrono::time_point<Clock,Duration>& sleep_time );	阻塞当前线程，直至抵达指定的 sleep_time

get_id函数已描述；
yield 方法其实就是::Sleep(0)。
Sleep会交出CPU时间片，允许其他线程运行，但“其他线程”也包含了交出 CPU 时间片的那个线程。 
想要更好的进行线程切换，不能够使用 Sleep，而应采用线程锁或其他线程切换方法。

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

void threadfun(int &a)//引用
{
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
    cout << "threadfun: " << endl;
    cout <<"a = "<< (a += 10 )<< endl;    
}

int main()
{
    int a = 3;
    int b = 5;
    
    thread th1(threadfun, std::ref(a)); 
    thread th2(threadfun, std::ref(b)); 

    cout << "main " << endl; 
    th1.join();th2.join();

    return 0;
}

3.多线程获取返回值方法

在 C++11 多线程中 std::thread 对象会忽略顶层函数的返回值。
但是在许多时候，我们想要得到线程返回的值。那么该如何操作？

3.1 方法1（指针法）

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

//线程返回值 = 形参1 + 形参2
void threadfun(int a, int b, shared_ptr<int> add)
{
    *add = a + b;
}

int main()
{
    int a = 3;
    int b = 5;
    shared_ptr<int> add(new int(0));

    cout << "before add: " << *add << endl;
    thread th1(threadfun, a,b,add); 

    th1.join();//等待th1线程运行完毕

    cout << "after add: " << *add << endl;

    return 0;
}

3.2 方法2（使用std::future(期望)和std::promise(承诺)来取数据）

std::future和std::promise是封装好的两个类模板，这两个类需要配合使用，它们的头文件是’future’（应该使用<>），
唯一期望（std::future）的实例只能与一个指定事件相关联。
共享期望（std::shared_future<>）的实例就能关联多个事件。
std::future，表示存储着一个未来会被初始化的变量。这个变量可以通过std::future提供的成员函数std::future::get()来得到。如果在这个变量被赋值之前有别的线程试图通过std::future::get()获取这个变量，那么这个线程将会被阻塞到这个变量可以获取为止。
std::promise同样也是一个类模板，这个对象承诺在未来一定会初始化一个变量（std::future中的变量），每一个std::promise对象都有一个与之关联的std::future对象。当std::promise设置值的时候，这个值就会赋给std::future中的对象了。

#include<atomic>
#include<future>
#include<utility>

void func2(int x, int y, std::promise<int>& promiseObj)
{
    cout << "in func " << endl;
    
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    promiseObj.set_value(x + y);
    
    cout << "out func " << endl;
}

int main(void)
{
    int a = 10, b = 20;

    int sum = 0;
    std::promise<int> promiseObj;
    
    //将 future 和 promise 关联
    std::future<int> futureObj = promiseObj.get_future();
    
    //模板传参引用类型的时候使用 ref，否则传参失败
    std::thread ta(func2, a, b, std::ref(promiseObj));
    
    //获取值
    sum = futureObj.get();// 等待线程计算出值
    std::cout << "sum =" << sum << std::endl;

    ta.join();

    return 0;
}