C++进阶--C++11线程库

一、线程库（thread）

   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支持了，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。要使用标准库中的线程，必须包含相关的头文件

头文件一定记得如下几个：
#include    //线程库
#include    //条件变量
#include    //互斥锁

1.1 线程对象的构造方式

1.1.1 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。
   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。

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。

1.1.2 调用带参的构造函数

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。

void func(int n)
{
	for (int i = 0; i <= n; i++)
	{
		cout << i << endl;
	}
}
int main()
{
	thread t2(func, 10);

	t2.join();
	return 0;
}

1.1.3 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。

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;
}

1.2 thread提供的成员函数

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

说明：

• 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。
• 当创建一个线程对象后，没有提供线程函数，该对象实际没有对应任何线程。
• 当创建一个线程对象后，并且给线程关联线程函数，该线程就被启动，与主线程一起运行。线程函数一般情况下可按照以下三种方式提供：函数指针、lambda表达式、函数对象。
• thread类是防拷贝的，不允许拷贝构造以及赋值，但是可以移动构造和移动赋值，即将一个线程对象关联线程的状态转移给其他线程对象，转移期间不影响线程的执行。

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）

1.3 获取线程的id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。

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

1.4 线程函数的参数问题

   线程函数的参数是以值拷贝方式拷贝到线程空间中的，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。

#include 
void ThreadFunc1(int& x)
{
	x += 10;
}

int main()
{
	int a = 10;
	// 在线程函数中对a修改，不会影响外部实参，因为：线程函数参数虽然是引用方式，但其实际引用的是线程栈中的拷贝
	thread t1(ThreadFunc1, a);
	t1.join();
	cout << a << endl;
}

   如果要通过线程函数的形参改变外部的实参，可以通过以下三种方式：

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。

#include 
void ThreadFunc1(int& x)
{
	x += 10;
}

int main()
{
	int a = 10;

	// 如果想要通过形参改变外部实参时，必须借助std::ref()函数
	thread t2(ThreadFunc1, std::ref(a));
	t2.join();
	cout << a << endl;
}

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。

#include 
void ThreadFunc2(int* x)
{
	*x += 10;
}

int main()
{
	int a = 10;

	// 地址的拷贝
	thread t3(ThreadFunc2, &a);
	t3.join();
	cout << a << endl;
	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。

#include 

int main()
{
	int a = 10;

	// 借助lambda表达式
	thread t3([&a]{a+=10;});
	t3.join();
	cout << a << endl;
	return 0;
}

1.5 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库给我们提供了两种回收线程资源的方式。

1.5.1 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用一次join，否则程序就会崩溃。

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。

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出现问题。比如该线程被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（资源获取即初始化）的方式对线程对象进行封装，也就是利用对象的声明周期来控制线程资源的释放。

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：

• 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对该线程进行等待。

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;
}

1.5.2 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判断或者线程是否需要被join，如果需要那么就会调用terminate终止当前程序（程序崩溃）。

二、互斥量库（mutex）

2.1 mutex的种类

  在C++11中，mutex中总共包含了四种互斥量

2.1.1 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：

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）。

2.1.2 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。

2.1.3 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。

2.1.4 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。

2.2 look_guard和unique_lock

   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。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（资源获取即初始化）的方式对锁进行了封装，于是就出现了lock_guard和unique_lock。

2.2.1 lock_guard

lock_guard是C++11中的一个模板类

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。

2.2.2 模拟实现lock_guard

模拟实现lock_guard类的代码

template<class _Mutex>
class lock_guard
{
public:
	// 在构造lock_gard时，_Mtx还没有被上锁
	explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx)
		: _MyMutex(_Mtx)
	{
		_MyMutex.lock();
	}

	// 在构造lock_gard时，_Mtx已经被上锁，此处不需要再上锁
	lock_guard(_Mutex& _Mtx, adopt_lock_t)
		: _MyMutex(_Mtx)
		{}
		
	~lock_guard() _NOEXCEPT
	{
		_MyMutex.unlock();
	}
	
	lock_guard(const lock_guard&) = delete;
	lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
	_Mutex& _MyMutex;
};

2.2.3 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）。

三、原子性操作库（atomic）

3.1 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。

#include 
using namespace std;
#include 
unsigned long sum = 0L;

void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
	sum++;
}

int main()
{
	cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;
	
	thread t1(fun, 10000000);
	thread t2(fun, 10000000);
	t1.join();
	t2.join();

	cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

3.2 加锁解决线程安全问题

   C++98中传统的解决方式：可以对共享修改的数据可以加锁保护。

#include 
using namespace std;
#include 
#include 

std::mutex m;
unsigned long sum = 0L;

void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
	{
		m.lock();
		sum++;
		m.unlock();
	}
}

int main()
{
	cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;
	
	thread t1(fun, 10000000);
	thread t2(fun, 10000000);
	t1.join();
	t2.join();
	
	cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

   虽然加锁可以解决，但是加锁有一个缺陷就是：只要一个线程在对sum++时，其他线程就会被阻塞，会影响程序运行的效率，而且锁如果控制不好，还容易造成死锁。
   因此C++11中引入了原子操作。所谓原子操作：即不可被中断的一个或一系列操作，C++11引入的原子操作类型，使得线程间数据的同步变得非常高效。

3.3 原子类解决线程安全问题

原子类型名称	对应的内置类型名称
atomic_bool	bool
atomic_char	char
atomic_schar	signed char
atomic_uchar	unsigned char
atomic_int	int
atomic_uint	unsigned int
atomic_short	short
atomic_ushort	unsigned short
atomic_long	long
atomic_ulong	unsigned long
atomic_llong	long long
atomic_ullong	unsigned long long
atomic_char16_t	char16_t
atomic_char32_t	char32_t
atomic_wchar_t	wchar_t

注意：需要使用以上原子操作变量时，必须添加头文件

#include 
using namespace std;
#include 
#include 

atomic_long sum{ 0 };

void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
	sum ++; // 原子操作
}

int main()
{
	cout << "Before joining, sum = " << sum << std::endl;
	
	thread t1(fun, 1000000);
	thread t2(fun, 1000000);
	t1.join();
	t2.join();
	
	cout << "After joining, sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

   在C++11中，程序员不需要对原子类型变量进行加锁解锁操作，线程能够对原子类型变量互斥的访问。
   更为普遍的，程序员可以使用atomic类模板，定义出需要的任意原子类型。

atmoic<T> t; // 声明一个类型为T的原子类型变量t

   注意：原子类型通常属于"资源型"数据，多个线程只能访问单个原子类型的拷贝，因此在C++11中，原子类型只能从其模板参数中进行构造，不允许原子类型进行拷贝构造、移动构造以及operator=等，为了防止意外，标准库已经将atmoic模板类中的拷贝构造、移动构造、赋值运算符重载默认删除掉了。

#include 
int main()
{
	atomic<int> a1(0);
	//atomic a2(a1); // 编译失败
	atomic<int> a2(0);
	//a2 = a1; // 编译失败
	return 0;
}

四、条件变量库（condition_variable）

   condition_variable中提供的成员函数，可分为wait系列和notify系列两类。

4.1 wait系列成员函数

   wait系列成员函数的作用就是让调用线程进行阻塞等待，包括wait、wait_for和wait_until。
   下面先以wait为例进行介绍，wait函数提供了两个不同版本的接口：

//版本一
void wait(unique_lock<mutex>& lck);
//版本二
template<class Predicate>
void wait(unique_lock<mutex>& lck, Predicate pred);

函数说明

• 调用第一个版本的wait函数时只需要传入一个互斥锁，线程调用wait后会立即被阻塞，直到被唤醒。
• 调用第二个版本的wait函数时除了需要传入一个互斥锁，还需要传入一个返回值类型为bool的可调用对象，与第一个版本的wait不同的是，当线程被唤醒后还需要调用传入的可调用对象，如果可调用对象的返回值为false，那么该线程还需要继续被阻塞。

为什么调用wait系列函数时需要传入一个互斥锁

• 因为wait系列函数一般是在临界区中调用的，为了让当前线程调用wait阻塞时其他线程能够获取到锁，因此调用wait系列函数时需要传入一个互斥锁，当线程被阻塞时这个互斥锁会被自动解锁，而当这个线程被唤醒时，又会自动获得这个互斥锁。
• 因此wait系列函数实际上有两个功能，一个是让线程在条件不满足时进行阻塞等待，另一个是让线程将对应的互斥锁进行解锁。

wait_for和wait_until函数的使用方式与wait函数类似

• wait_for函数也提供了两个版本的接口，只不过这两个版本的接口都比wait函数对应的接口多了一个参数，这个参数是一个时间段，表示让线程在该时间段内进行阻塞等待，如果超过这个时间段则线程被自动唤醒。
• wait_until函数也提供了两个版本的接口，只不过这两个版本的接口都比wait函数对应的接口多了一个参数，这个参数是一个具体的时间点，表示让线程在该时间点之前进行阻塞等待，如果超过这个时间点则线程被自动唤醒。
• 线程调用wait_for或wait_until函数在阻塞等待期间，其他线程调用notify系列函数也可以将其唤醒。此外，如果调用的是wait_for或wait_until函数的第二个版本的接口，那么当线程被唤醒后还需要调用传入的可调用对象，如果可调用对象的返回值为false，那么当前线程还需要继续被阻塞。

注意
调用wait系列函数时，传入互斥锁的类型必须是unique_lock。

4.2 notify系列成员函数

notify系列成员函数的作用就是唤醒等待的线程，包括notify_one和notify_all

• notify_one：唤醒等待队列中的首个线程，如果等待队列为空则什么也不做。
• notify_all：唤醒等待队列中的所有线程，如果等待队列为空则什么也不做。

注意：条件变量下可能会有多个线程在进行阻塞等待，这些线程会被放到一个等待队列中进行排队。

五、实现两个线程交替打印1-100

两个线程交替打印1-100，t1打印奇数，t2打印偶数

同步和互斥

• 互斥：两个线程都在向控制台打印数据，为了保证两个线程的打印数据不会相互影响，因此需要对线程的打印过程进行加锁保护。
• 同步：两个线程必须交替进行打印，因此需要用到条件变量让两个线程进行同步，当一个线程打印完再唤醒另一个线程进行打印。

但如果只有同步和互斥是无法满足题目要求的。

• 首先，我们无法保证哪一个线程会先进行打印，不能说先创建的线程就一定先打印，后创建的线程先打印也是有可能的。
• 此外，有可能会出现某个线程连续多次打印的情况，比如线程1先创建并打印了一个数字，当线程1准备打印第二个数字的时候线程2可能还没创建出来，或是线程2还没有在互斥锁上进行等待，这时线程1就会再次获取到锁进行打印。

#include

int main()
{
	mutex mtx;
	condition_variable cv;

	int n = 100;
	int x = 1;

	//问题1：如何保证t1先运行，t2阻塞
	//问题2：如何防止一个线程不断运行？

	thread t1([&, n]() {
		while (1)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mtx);
			if (x >= 100)
				break;

			//cv.wait(lock);

			//if (x % 2 == 0)   //偶数就阻塞
			//{
			//	cv.wait(lock);
			//}
			cv.wait(lock, [&x]() {return x % 2 != 0; });

			cout << this_thread::get_id() << ":" << x << endl;
			++x;

			cv.notify_one();
		}
		});

	thread t2([&, n]() {
		while(1)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mtx);
			if (x > 100)
				break;

			//if (x % 2 != 0)   //奇数就阻塞
			//cv.wait(lock);

			cv.wait(lock, [&x]() {return x % 2 == 0; });

			cout << this_thread::get_id() << ":" << x << endl;
			++x;

			cv.notify_one();
		}
		});

	t1.join();
	t2.join();

	return 0;
}