C++11 ——— 线程库

Posted 2022-11-23 2021dragon

文章目录

• 线程库
• • 线程库（thread）
  • • 线程对象的构造方式
    • thread提供的成员函数
    • 获取线程的id的方式
    • 线程函数的参数问题
    • join与detach
  • 互斥量库（mutex）
  • • mutex的种类
    • lock_guard和unique_lock
  • 原子性操作库（atomic）
  • 条件变量库（condition_variable）
• 实现两个线程交替打印1-100

线程库

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了支持，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。

线程库（thread）

线程对象的构造方式

一、调用无参的构造函数

thread提供了无参的构造函数，调用无参的构造函数创建出来的线程对象没有关联任何线程函数，即没有启动任何线程。比如：

thread t1;

由于thread提供了移动赋值函数，因此当后续需要让该线程对象与线程函数关联时，可以以带参的方式创建一个匿名对象，然后调用移动赋值将该匿名对象关联线程的状态转移给该线程对象。比如：

void func(int n)

	for (int i = 0; i <= n; i++)
	
		cout << i << endl;
	

int main()

	thread t1;
	//...
	t1 = thread(func, 10);

	t1.join();
	return 0;

场景： 实现线程池的时候就是需要先创建一批线程，但一开始这些线程什么也不做，当有任务到来时再让这些线程来处理这些任务。

二、调用带参的构造函数

thread的带参的构造函数的定义如下：

template <class Fn, class... Args>
explicit thread (Fn&& fn, Args&&... args);

参数说明：

• fn：可调用对象，比如函数指针、仿函数、lambda表达式、被包装器包装后的可调用对象等。
• args...：调用可调用对象fn时所需要的若干参数。

调用带参的构造函数创建线程对象，能够将线程对象与线程函数fn进行关联。比如：

void func(int n)

	for (int i = 0; i <= n; i++)
	
		cout << i << endl;
	

int main()

	thread t2(func, 10);

	t2.join();
	return 0;

三、调用移动构造函数

thread提供了移动构造函数，能够用一个右值线程对象来构造一个线程对象。比如：

void func(int n)

	for (int i = 0; i <= n; i++)
	
		cout << i << endl;
	

int main()

	thread t3 = thread(func, 10);

	t3.join();
	return 0;

说明一下：

• 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。
• 如果创建线程对象时没有提供线程函数，那么该线程对象实际没有对应任何线程。
• 如果创建线程对象时提供了线程函数，那么就会启动一个线程来执行这个线程函数，该线程与主线程一起运行。
• thread类是防拷贝的，不允许拷贝构造和拷贝赋值，但是可以移动构造和移动赋值，可以将一个线程对象关联线程的状态转移给其他线程对象，并且转移期间不影响线程的执行。

thread提供的成员函数

thread中常用的成员函数如下：

成员函数	功能
join	对该线程进行等待，在等待的线程返回之前，调用join函数的线程将会被阻塞
joinable	判断该线程是否已经执行完毕，如果是则返回true，否则返回false
detach	将该线程与创建线程进行分离，被分离后的线程不再需要创建线程调用join函数对其进行等待
get_id	获取该线程的id
swap	将两个线程对象关联线程的状态进行交换

此外，joinable函数还可以用于判定线程是否是有效的，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。（该线程对象没有关联任何线程）
• 线程对象的状态已经转移给其他线程对象。（已经将线程交给其他线程对象管理）
• 线程已经调用join或detach结束。（线程已经结束）

获取线程的id的方式

调用thread的成员函数get_id可以获取线程的id，但该方法必须通过线程对象来调用get_id函数，如果要在线程对象关联的线程函数中获取线程id，可以调用this_thread命名空间下的get_id函数。比如：

void func()

	cout << this_thread::get_id() << endl; //获取线程id

int main()

	thread t(func);

	t.join();
	return 0;

this_thread命名空间中还提供了以下三个函数：

函数名	功能
yield	当前线程“放弃”执行，让操作系统调度另一线程继续执行
sleep_until	让当前线程休眠到一个具体时间点
sleep_for	让当前线程休眠一个时间段

线程函数的参数问题

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，就算线程函数的参数为引用类型，在线程函数中修改后也不会影响到外部实参，因为其实际引用的是线程栈中的拷贝，而不是外部实参。比如：

void add(int& num)

	num++;

int main()

	int num = 0;
	thread t(add, num);
	t.join();

	cout << num << endl; //0
	return 0;

如果要通过线程函数的形参改变外部的实参，可以参考以下三种方式：

方式一：借助std::ref函数

当线程函数的参数类型为引用类型时，如果要想线程函数形参引用的是外部传入的实参，而不是线程栈空间中的拷贝，那么在传入实参时需要借助ref函数保持对实参的引用。比如：

void add(int& num)

	num++;

int main()

	int num = 0;
	thread t(add, ref(num));
	t.join();

	cout << num << endl; //1
	return 0;

方式二：地址的拷贝

将线程函数的参数类型改为指针类型，将实参的地址传入线程函数，此时在线程函数中可以通过修改该地址处的变量，进而影响到外部实参。比如：

void add(int* num)

	(*num)++;

int main()

	int num = 0;
	thread t(add, &num);
	t.join();

	cout << num << endl; //1
	return 0;

方式三：借助lambda表达式

将lambda表达式作为线程函数，利用lambda函数的捕捉列表，以引用的方式对外部实参进行捕捉，此时在lambda表达式中对形参的修改也能影响到外部实参。比如：

int main()

	int num = 0;
	thread t([&num]num++; );
	t.join();

	cout << num << endl; //1
	return 0;

join与detach

启动一个线程后，当这个线程退出时，需要对该线程所使用的资源进行回收，否则可能会导致内存泄露等问题。thread库给我们提供了如下两种回收线程资源的方式：

join方式

主线程创建新线程后，可以调用join函数等待新线程终止，当新线程终止时join函数就会自动清理线程相关的资源。

join函数清理线程的相关资源后，thread对象与已销毁的线程就没有关系了，因此一个线程对象一般只会使用一次join，否则程序会崩溃。比如：

void func(int n)

	for (int i = 0; i <= n; i++)
	
		cout << i << endl;
	

int main()

	thread t(func, 20);
	t.join();
	t.join(); //程序崩溃
	return 0;

但如果一个线程对象join后，又调用移动赋值函数，将一个右值线程对象的关联线程的状态转移过来了，那么这个线程对象又可以调用一次join。比如：

void func(int n)

	for (int i = 0; i <= n; i++)
	
		cout << i << endl;
	

int main()

	thread t(func, 20);
	t.join();

	t = thread(func, 30);
	t.join();
	return 0;

但采用join的方式结束线程，在某些场景下也可能会出现问题。比如在该线程被join之前，如果中途因为某些原因导致程序不再执行后续代码，这时这个线程将不会被join。

void func(int n)

	for (int i = 0; i <= n; i++)
	
		cout << i << endl;
	

bool DoSomething()

	return false;

int main()

	thread t(func, 20);

	//...
	if (!DoSomething())
		return -1;
	//...

	t.join(); //不会被执行
	return 0;

因此采用join方式结束线程时，join的调用位置非常关键，为了避免上述问题，可以采用RAII的方式对线程对象进行封装，也就是利用对象的生命周期来控制线程资源的释放。比如：

class myThread

public:
	myThread(thread& t)
		:_t(t)
	
	~myThread()
	
		if (_t.joinable())
			_t.join();
	
	//防拷贝
	myThread(myThread const&) = delete;
	myThread& operator=(const myThread&) = delete;
private:
	thread& _t;
;

使用方式如下：

• 每当创建一个线程对象后，就用myThread类对其进行封装产生一个myThread对象。
• 当myThread对象生命周期结束时就会调用析构函数，在析构中会通过joinable判断这个线程是否需要被join，如果需要那么就会调用join对其该线程进行等待。

例如刚才的代码中，使用myThread类对线程对象进行封装后，就能保证线程一定会被join。

int main()

	thread t(func, 20);
	myThread mt(t); //使用myThread对线程对象进行封装

	//...
	if (!DoSomething())
		return -1;
	//...

	t.join();
	return 0;

detach方式

主线程创建新线程后，也可以调用detach函数将新线程与主线程进行分离，分离后新线程会在后台运行，其所有权和控制权将会交给C++运行库，此时C++运行库会保证当线程退出时，其相关资源能够被正确回收。

• 使用detach的方式回收线程的资源，一般在线程对象创建好之后就立即调用detach函数。
• 否则线程对象可能会因为某些原因，在后续调用detach函数分离线程之前被销毁掉，这时就会导致程序崩溃。
• 因为当线程对象被销毁时会调用thread的析构函数，而在thread的析构函数中会通过joinable判断这个线程是否需要被join，如果需要那么就会调用terminate终止当前程序（程序崩溃）。

互斥量库（mutex）

mutex的种类

四种互斥量

在C++11中，mutex中总共包了四种互斥量：

1、std::mute
mutex锁是C++11提供的最基本的互斥量，mutex对象之间不能进行拷贝，也不能进行移动。

mutex中常用的成员函数如下：

成员函数	功能
lock	对互斥量进行加锁
try_lock	尝试对互斥量进行加锁
unlock	对互斥量进行解锁，释放互斥量的所有权

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其他线程锁住，则调用线程将该互斥量锁住，直到调用unlock之前，该线程一致拥有该锁。
• 如果该互斥量已经被其他线程锁住，则当前的调用线程会被阻塞。
• 如果该互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁（deadlock）。

线程调用try_lock时，类似也可能会发生以下三种情况：

• 如果该互斥量当前没有被其他线程锁住，则调用线程将该互斥量锁住，直到调用unlock之前，该线程一致拥有该锁。
• 如果该互斥量已经被其他线程锁住，则try_lock调用返回false，当前的调用线程不会被阻塞。
• 如果该互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁（deadlock）。

2、std::recursive_mutex
recursive_mutex叫做递归互斥锁，该锁专门用于递归函数中的加锁操作。

• 如果在递归函数中使用mutex互斥锁进行加锁，那么在线程进行递归调用时，可能会重复申请已经申请到但自己还未释放的锁，进而导致死锁问题。
• 而recursive_mutex允许同一个线程对互斥量多次上锁（即递归上锁），来获得互斥量对象的多层所有权，但是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，recursive_mutex也提供了lock、try_lock和unlock成员函数，其的特性与mutex大致相同。

3、std::timed_mutex
timed_mutex中提供了以下两个成员函数：

• 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，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（即在指定时间之内还是没有获得锁），则返回false。
• try_lock_untill：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（即在指定时间点到来时还是没有获得锁），则返回false。

除此之外，timed_mutex也提供了lock、try_lock和unlock成员函数，其的特性与mutex相同。

4、std::recursive_timed_mutex
recursive_timed_mutex就是recursive_mutex和timed_mutex的结合，recursive_timed_mutex既支持在递归函数中进行加锁操作，也支持定时尝试申请锁。

加锁示例

在没有使用互斥锁保证线程安全的情况下，让两个线程各自打印1-100的数字，就会导致控制台输出错乱。比如：

void func(int n)

	for (int i = 1; i <= n; i++)
	
		cout << i << endl;
	

int main()

	thread t1(func, 100);
	thread t2(func, 100);

	t1.join();
	t2.join();
	return 0;

如果要让两个线程的输出不会相互影响，即不会让某一次输出中途被另一个线程打断，那么就需要用互斥锁对打印过程进行保护。

这里加锁的方式有两种，一种是在for循环体内进行加锁，一种是在for循环体外进行加锁。比如：

void func(int n, mutex& mtx)

	mtx.lock(); //for循环体外加锁
	for (int i = 1; i <= n; i++)
	
		//mtx.lock(); //for循环体内加锁
		cout << i << endl;
		//mtx.unlock();
	
	mtx.unlock();

int main()

	mutex mtx;
	thread t1(func, 100, ref(mtx));
	thread t2(func, 100, ref(mtx));

	t1.join();
	t2.join();
	return 0;

说明一下：

• 此处在for循环体外加锁比在for循环体内加锁更高效，因为在for循环体内加锁会导致线程打印数字时频繁进行加锁解锁操作，而如果在for循环体外加锁，那么这两个线程只需要在开始打印1之前进行一次加锁，在打印完100后进行一次解锁就行了。
• 在for循环体外加锁也就意味着两个线程的打印过程变成了串行的，即一个线程打印完1-100后另一个线程再打印，但这时打印效率提高了，因为避免了这两个线程间的频繁切换。
• 为了保证两个线程使用的是同一个互斥锁，线程函数必须以引用的方式接收传入的互斥锁，并且在传参时需要使用ref函数保持对互斥锁的引用。
• 此外，也可以将互斥锁定义为全局变量，或是用lambda表达式定义线程函数，然后以引用的方式将局部的互斥锁进行捕捉，这两种方法也能保证两个线程使用的是同一个互斥锁。

经验分享：

• 在项目中实际不太建议定义全局变量，因为全局变量如果定义在头文件中，当这个头文件被多个源文件包含时，在这多个源文件中都会对这个全局变量进行定义，这时就会导致变量重定义，但如果将全局变量定义为静态，那这个全局变量就只在当前文件可见。
• 如果确实有一些变量需要在多个文件中使用，那么一般建议将这些变量封装到一个类当中，然后将这个类设计成单例模式，当需要使用这些变量时就通过这个单例对象去访问即可。

lock_guard和unique_lock

使用互斥锁时可能出现的问题

使用互斥锁时，如果加锁的范围太大，那么极有可能在中途返回时忘记了解锁，此后申请这个互斥锁的线程就会被阻塞住，也就是造成了死锁问题。比如：

mutex mtx;
void func()

	mtx.lock();
	//...
	FILE* fout = fopen("data.txt", "r");
	if (fout == nullptr)
	
		//...
		return; //中途返回（未解锁）
	
	//...
	mtx.unlock();

int main()

	func();
	return 0;

因此使用互斥锁时如果控制不好就会造成死锁，最常见的就是此处在锁中间代码返回，此外还有一个比较常见的情况就是在锁的范围内抛异常，也很容易导致死锁问题。

因此C++11采用RAII的方式对锁进行了封装，于是就出现了lock_guard和unique_lock。

lock_guard

lock_guard是C++11中的一个模板类，其定义如下：

template <class Mutex>
class lock_guard;

lock_guard类模板主要是通过RAII的方式，对其管理的互斥锁进行了封装。

• 在需要加锁的地方，用互斥锁实例化一个lock_guard对象，在lock_guard的构造函数中会调用lock进行加锁。
• 当lock_guard对象出作用域前会调用析构函数，在lock_guard的析构函数中会调用unlock自动解锁。

通过这种构造对象时加锁，析构对象时自动解锁的方式就有效的避免了死锁问题。比如：

mutex mtx;
void func()

	lock_guard<mutex> lg(mtx); //调用构造函数加锁
	//...
	FILE* fout = fopen("data.txt", "r");
	if (fout == nullptr)
	
		//...
		return; //调用析构函数解锁
	
	//...
 //调用析构函数解锁
int main()

	func();
	return 0;

从lock_guard对象定义到该对象析构，这段区域的代码都属于互斥锁的保护范围。

如果只想用lock_guard保护某一段代码，可以通过定义匿名的局部域来控制lock_guard对象的生命周期。比如：

mutex mtx;
void func()

	//...
	//匿名局部域
	
		lock_guard<mutex> lg(mtx); //调用构造函数加锁
		FILE* fout = fopen("data.txt", "r");
		if (fout == nullptr)
		
			//...
			return; //调用析构函数解锁
		
	 //调用析构函数解锁
	//...

int main()

	func();
	return 0;

模拟实现lock_guard

模拟实现lock_guard类的步骤如下：

• lock_guard类中包含一个锁成员变量（引用类型），这个锁就是每个lock_guard对象管理的互斥锁。
• 调用lock_guard的构造函数时需要传入一个被管理互斥锁，用该互斥锁来初始化锁成员变量后，调用互斥锁的lock函数进行加锁。
• lock_guard的析构函数中调用互斥锁的unlock进行解锁。
• 需要删除lock_guard类的拷贝构造和拷贝赋值，因为lock_guard类中的锁成员变量本身也是不支持拷贝的。

代码如下：

namespace cl

	template<class Mutex>
	class lock_guard
	
	public:
		lock_guard(Mutex& mtx)
			:_mtx(mtx)
		
			mtx.lock(); //加锁
		
		~lock_guard()
		
			mtx.unlock(); //解锁
		
		lock_guard(const lock_guard&) = delete;
		lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
	private:
		Mutex& _mtx;
	;

unique_lock

但由于lock_guard太单一，用户没有办法对锁进行控制，因此C++11又提供了unique_lock。

unique_lock与lock_guard类似，unique_lock类模板也是采用RAII的方式对锁进行了封装。在创建unique_lock对象调用构造函数时也会调用lock进行加锁，在unique_lock对象销毁调用析构函数时也会调用unlock进行解锁。

但lock_guard不同的是，unique_lock更加的灵活，提供了更多的成员函数：

• 加锁/解锁操作：lock、try_lock、try_lock_for、try_lock_until和unlock。
• 修改操作：移动赋值、swap、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）。

比如如下场景就适合使用unique_lock：

• 要用互斥锁保护函数1的大部分代码，但是中间有一小块代码调用了函数2，而调用函数2时不需要用函数1中的互斥锁进行保护，函数2内部的代码由其他互斥锁进行保护。
• 因此在调用函数2之前需要对当前互斥锁进行解锁，当函数2调用返回后再进行加锁，这样当调用函数2时其他线程调用函数1就能够获取到这个锁。

如下图：

原子性操作库（atomic）

线程安全问题

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：

void func(int& n, int times)

	for (int i = 0; i < times; i++)
	
		n++;
	

int main()

	int n = 0;
	int times = 100000; //每个线程对n++的次数
	thread t1(func, ref(n), times);
	thread t2(func, ref(n)C++11线程库

 C++11 ——— 线程库
 C++11 ——— 线程库
 将使用事件循环的 C++/Qt 线程转换为使用 Dispatchers 的 C#（或 java）线程的可能性
 C11 多线程有关问题?实在是纠结了很久！
 C++11中多线程库