C++11——线程库，互斥量，原子性库，条件变量
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了C++11——线程库，互斥量，原子性库，条件变量相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
目录
4.recursive_timed_mutex定时递归 Mutex 类
前言
线程，互斥量，条件变量和原子性都是系统级别的概念，这篇博客主介绍C++11封装的库，想了解原理，可以看博客：Linux多线程——概念和Linux多线程——互斥和同步，死锁
在C++11之前，涉及到很多多线程的问题，都是和平台相关的。比如：在windows和linux下，多线程都有自己的接口，使得代码的移植性比较差。C++11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。
在C++11之前，由于多线程的接口不同，要使得写一个多线程既能在windows下能跑，由能在linux下能跑，可以使用条件编译。
#ifdef _WIN32
//使用windows多线程接口
#else
//使用linux多线程接口
#endif实际上现在的C++11标准库也只是将上面这种类型的条件编译，封装成了一个类。
要使用标准库中的多线程，必须包含#include<thread>头文件。
一.线程库
1.线程库接口
- 构造函数
| 函数名 | 作用 |
| thread() | 构造一个线程对象，不关联任何线程函数，也没有启动任何线程。创建一个空线程 |
| template <class Fn, class... Args> explicit thread(Fn&& fn, Args&&... args) | 构造一个线程对象，并关联线程函数fn，args是线程函数的参数，后面是可变参数，可以输入多个。 |
注意：
- 线程是操作系统中的概念，线程兑现可以关联一个线程，用来控制线程以及获取线程的状态。
- 当创建一个线程对象后，没有提供线程函数，该对象实际没有任何对应的线程。
- 其它函数
| 函数 | 作用 |
| operator= | 将一个线程赋值给另外一个线程 |
| get_id() | 获取线程id |
| join() | 该函数调用会阻塞主线程。知道创建线程结束，回收线程资源。 |
| detach | 将创建的线程分离，分离的线程变为后台线程，创建的线程资源不需要回收。 |
2.使用
2.1 线程函数
当一个创建一个线程对象后，并且创建线程关联线程函数，该线程就被启动，与主线程一起运行。
线程函数可以分为下面几类：
- 函数指针
- lambda表达式
- 函数对象(仿函数)
#include<iostream>
#include<thread>
#include<windows.h>
using namespace std;
void ThreadFun(int a){
cout << "函数指针" << a << endl;
}
class ThreadF{
public:
void operator()(){
cout << "函数对象(仿函数)" << endl;
}
};
int main(){
//创建一个空线程
thread t1();
//函数指针
thread t2(ThreadFun, 10);
//仿函数
ThreadF tf;
thread t3(tf);
//lambda表达式
thread t4([]{cout << "lambda 表达式" << endl; });
//t1空线程，不需要等待
t2.join();
t3.join();
t4.join();
system("pause");
return 0;
}注意：
- thread类是防止拷贝的，不允许拷贝构造和赋值。但是允许移动构造，所以operator=调用的是移动构造。
int main(){
//移动构造，thread(ThreadFun, 10)生成临时对象为右值
thread t1 = thread(ThreadFun, 10);
ThreadF tf;
//thread(tf)生成临时对象为右值，移动构造t2
thread t2;
t2 = thread(tf);
t1.join();
t2.join();
system("pause");
return 0;
}- 可以通过joinable()函数来判断线程是否有效，如果是以下情况线程是无效的。
- 采用无参构造函数构造的线程对象。
- 线程对象状态已经转移给其它线程对象。
- 线程已经调用join或者detach结束。
2.2 线程函数的参数
我们知道线程是含有自己的私有栈的。线程函数的参数是以值拷贝的方式拷贝到线程栈空间的，因此线程参数为引用类型，在线程中修改后，也不能修改外部的实参，因为其引用的是线程私有栈中的参数，并不是外部实参。
void ThreadFun1(int& a){
a *= 2;
}
void ThreadFun2(int* a){
(*a) *= 2;
}
int main(){
int a = 1;
thread t1(ThreadFun1, a);
cout << a << endl;
//地址拷贝可以修改
thread t2(ThreadFun2, &a);
cout << a << endl;
//或者加上ref函数
thread t3(ThreadFun1, ref(a));
cout << a << endl;
t1.join();
t2.join();
t3.join();
system("pause");
return 0;
}
注意：如果是类成员函数作为线程参数，必须将this指针作为线程函数的参数传入。 成员函数也必须定义成静态的。
class A{
public:
//需要定义成静态的
static void Handler(void *ptr){
A *this_p = (A *)ptr;
cout << this_p->_a << endl;
}
//创建线程
void CreateThread(){
//传入this指针
thread t1(Handler, this);
t1.join();
}
private:
int _a = 0;
};
int main(){
A a;
a.CreateThread();
system("pause");
return 0;
}2.3 join和detach介绍
启动一个线程后，主线程需要回收创建的线程的资源。不然会造成内存泄漏。
join：
主线程创建线程后，调用join()会被阻塞。当新线程终止时，主线程会自动清理相关线程资源，然后返回。主线程在继续往下执行，销毁线程对象。一个线程对象只能调用一次join，否则会线程奔溃。
join的误用：
1.如果DoSomething()函数返回false,主线程将会结束，jion()没有调用，线程资源没有回收，
造成资源泄漏。
// jion()的误用一
void ThreadFunc() { cout << "ThreadFunc()" << endl; }
bool DoSomething() { return false; }
int main()
{
std::thread t(ThreadFunc);
if (!DoSomething())
return -1;
t.join();
return 0;
}
2. 函数抛异常，由于在抛异常时，会跳到对应的catch允许，如果在join前跳出函数，没有join，会造成内存泄漏。
void ThreadFunc() { cout << "ThreadFunc()" << endl; }
void Test1() { throw 1; }
void Test2()
{
int* p = new int[10];
std::thread t(ThreadFunc);
try
{
Test1();
}
//直接跳到main函数对应的catch，t资源未回收
catch (...)
{
delete[] p;
throw;
}
t.join();
}
int main(){
try{
Test2();
}
catch(int a){
cout << "have done..." << endl;
}
return 0;
}因此，线程创建join的位置很关键。
我们可以使用RAII的方式来对线程对象进行封装。
在main函数终止前会对mythread对象进行析构，析构时会调用join对线程的资源进行回收。
class mythread
{
public:
explicit mythread(std::thread &t) :m_t(t){}
~mythread()
{
if (m_t.joinable())
m_t.join();
}
mythread(mythread const&) = delete;
mythread& operator=(const mythread &) = delete;
private:
std::thread &m_t;
};
void ThreadFunc()
{
cout << "ThreadFunc()" << endl;
}
bool DoSomething()
{
return false;
}
int main()
{
thread t(ThreadFunc);
//在函数终止，会调用析构函数，回收线程t
mythread q(t);
if (DoSomething())
return -1;
return 0;
}detach：
detach在新线程创建后，调用detach，会将新线程和主线程分离，主线程不能再使用创建的线程对象控制新线程。新线程在后台运行，其所有权和控制权交给了c++运行库。并且，在新线程退出，其资源能被正确回收。
因此在线程对象销毁前要进行线程资源回收，要么使用join()方式等待线程结束，资源由主线程。要么以detach方式将线程分离，资源由系统自动回收。
二.互斥量介绍
1. 互斥量种类
互斥量在C++11中由四个种类，重点介绍mutex
1.mutex最基本Mutex类
c++11提供的最基本的互斥量，该类的对象之间不能进行拷贝和移动拷贝。常用的接口：
| 函数 | 作用 |
| mutex | 上锁：占有互斥量 |
| unlock | 解锁：释放对互斥量的所有权 |
| try_lock | 尝试占有锁，如果互斥量被其它线程占有，当前线程也不会阻塞 |
使用：
#include<iostream>
#include<thread>
#include <mutex>
#include<windows.h>
using namespace std;
mutex mt1;
int x = 0;
void ThreadFun(int n){
for (int i = 0; i < n; i++){
mt1.lock();
//是线程不安全的，需要上锁
x++;
mt1.unlock();
}
}
int main(){
thread t1(ThreadFun,200000);
thread t2(ThreadFun,200000);
t1.join();
t2.join();
cout << x << endl;
system("pause");
return 0;
}
注意：线程调用lock()时，可能会发生下面三种情况：
- 如果该互斥量当前没有被锁住，着调用快的线程将该互斥锁占有，直到解锁。
- 如果当前互斥锁被其它线程占有，当前线程会被阻塞。
- 再单线程中，已经占有该互斥锁，重复申请会导致死锁。
再调用try_lock时，肯恶搞会有以下情况：
- 当互斥量没有被其它线程占有，则该线程锁住互斥量，直到线程调用unlock释放互斥量。
- 如果户次量被其它线程占有，则当前调用线程try_lock()返回false，当前线程不会被阻塞。
- 如果当前互斥量被当前线程占有，会导致死锁。
2.recursive_mutex递归Mutex类
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，释放互斥量需要调用于该锁层次深度相同次数的unlock()。
使用和接口和mutex相同。
3. timed_mutex 定时Mutex类
比mutex 多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until()。
- try_lock_for()
接收一个时间范围，表示在这段时间内锁被其它线程占有，线程这段时间会被阻塞，超过这段时间，还没有获得锁，则返回false。在这段时间内其它线程释放锁，则该线程可以占有锁。
- try_lock_until()
接受一个时间点作为参数，在指定时间点前，其它线程占有锁，当前线程会被阻塞。如果超过时间点，还没有占有锁，则返回false。在时间点前，有线程释放锁，当前线程可以占有锁。
4.recursive_timed_mutex定时递归 Mutex 类
可以递归占有锁，功能和接口和timed_mutex一样。
2. 避免死锁的两个类
- lock_guard
是C++11的模板类。
主要通过RAII的方式，对管理的互斥量进行的封装，在需要的地方实例化lock_guard对象，参数为上面所述的互斥量，调用构造函数成功上锁，出作用域，会调用lock_guard类的析构函数，释放锁，避免死锁问题。
但是lock_guard有缺点是太单一了，没有办法对该互斥量进行控制。
-
unique_lock
针对lock_guard的缺点，提出了unique_lock模板类。功能和使用lock_guard相似。
不同的是，unique_lock提供了一些控制互斥量的成员函数。
- 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)。
三.原子性操作库
当多个线程对临界资源进行写操作时，会造成线程安全问题。进行读操作不会。
上面介绍了用加锁的方式来保证线程安全。但是当锁使用不当时，可能会造成死锁。并且，一个线程占有锁，其它想占有锁的线程会被阻塞，这样会影响程序的效率。
说到底，线程安全时因为临界资源中还有非原子性的操作。
在C++11中引入了原子操作。所谓原子操作，一次只有两态，要不就完成了，要不就没完成，并且只有一条汇编语言。
C++11引入了原子操作类型，使进程间的同步变得更加高效。原子操作的类型只有整形和浮点类型。
使用原子操作库使必须加头文件。
#include<iostream>
#include<thread>
#include <atomic>
#include<windows.h>
using namespace std;
//将x的所有操作变成原子的
atomic_int x{ 0 };
void ThreadFun(int n){
for (int i = 0; i < n; i++){
//原子操作。
x++;
}
}
int main(){
thread t1(ThreadFun,200000);
thread t2(ThreadFun,200000);
t1.join();
t2.join();
cout << x << endl;
system("pause");
return 0;
}
这样程序员不需要对原理类型的变量进行加锁，线程可以对原子类型的变量互斥访问。
注意：为了防止意外，原子类型只能从其模板中进行构造，不允许原子类型进行拷贝构造和赋值操作。
#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;
}四.条件变量
条件变量为了实现线程的同步提出来的。
同步：是在保证线程安全的情况下，让线程按照一定顺序运行。可以提高线程运行的效率。
C++11中也封装了条件变量的类。
接口：构造函数：不支持拷贝构造。
| 函数 | 作用 |
| condition_variable() | 构造函数，构造一个条件变量 |
| wait | 在该条件变量下阻塞等待 |
| wait_for | 在该条件变量下阻塞等待一段时间 |
| wait_until | 在该条件变量下阻塞等待到某个时间点 |
| notify_one | 唤醒该条件变量 |
| notify_all | 唤醒所有条件变量 |
注意：wait，wait_for，wait_until的参数是互斥量。因为判断条件不满足等待，在加锁区域内，需要将锁释放，才能使条件满足。
使用：
编写一个，两个线程。一个线程打印1~n中的偶数，一个线程打印1~n中的偶数，并且顺序打印。
int main(){
//需要顺序打印，所以使用同步
condition_variable cod1, cod2;
mutex mt1, mt2;//条件变量等待锁作为参数
int n = 100;
thread t1([&]{
for (int i = 0; i <= n; i += 2){
cout << i << endl;
cod2.notify_one();
cod1.wait(unique_lock<mutex>(mt1));
}});
thread t2([&]{
for (int i = 1; i <= n; i += 2){
cod2.wait(unique_lock<mutex>(mt2));
cout << i << endl;
cod1.notify_one();
}});
t1.join();
t2.join();
system("pause");
return 0;
}ps:C++11线程池写法思路：
伪代码：
//构造m个空线程，线程池
vector<thread> vthread(m);
//来任务时,将任务插入
for (int i = 0; i < m; i++){
vthread[i] = thread(线程函数，线程函数参数)；
}
以上是关于C++11——线程库，互斥量，原子性库，条件变量的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
C++多线程1.2-线程安全的保证——互斥量mutex(锁)和原子变量atomic