C++11——线程库,互斥量,原子性库,条件变量

Posted 两片空白

tags:

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

前言

一.线程库

        1.线程库接口

        2.使用 

        2.1 线程函数

        2.2 线程函数的参数

         2.3 join和detach介绍

二.互斥量介绍

        1. 互斥量种类

      1.mutex最基本Mutex类

        2.recursive_mutex递归Mutex类

        3. timed_mutex 定时Mutex类

        4.recursive_timed_mutex定时递归 Mutex 类

        2. 避免死锁的两个类

三.原子性操作库

 四.条件变量


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:

  1. 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。
  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:

  1. 函数指针
  2. lambda表达式
  3. 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。
  1. 采用无参构造函数构造的线程对象。
  2. 线程对象状态已经转移给其它线程对象。
  3. 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:

  1. 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。
  2. 如果当前互斥锁被其它线程占有,当前线程会被阻塞。
  3. 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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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++11 ——— 线程库

C++多线程1.2-线程安全的保证——互斥量mutex(锁)和原子变量atomic

C++多线程1.2-线程安全的保证——互斥量mutex(锁)和原子变量atomic

c++11 多线程 -- 基本使用

多线程并发编程

C++11多线程 原子操作概念及范例