详解C++11中的线程库

一、线程库的介绍

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< thread >头文件。

特点：跨平台、面向对象封装的类（每个线程是个类对象）。

其实现原理是封装库时使用了条件编译，也就是说他的底层还是分别调用了不同平台的线程API。

函数名	功能
thread()	构造一个线程对象，没有关联任何线程函数，即没有启动任何线程
thread(fn,args1, args2,…)	构造一个线程对象，并关联线程函数fn，args1，args2，…为线程函数的参数
get_id()	获取线程id
jionable()	线程是否还在执行，joinable代表的是一个正在执行中的线程。
jion()	该函数调用后会阻塞住线程，当该线程结束后，主线程继续执行
detach()	在创建线程对象后马上调用，用于把被创建线程与线程对象分离开，分离的线程变为后台线程，创建的线程的"死活"就与主线程无关

1.1. 使用时的注意点

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。

#include <thread>
int main()
{
 std::thread t1;
 cout << t1.get_id() << endl;//0
 return 0; }

get_id()的返回值类型为id类型，id类型实际为std::thread命名空间下封装的一个类，该类中包含了一个结构体：

// vs下查看
typedef struct
{ /* thread identifier for Win32 */
 void *_Hnd; /* Win32 HANDLE */
 unsigned int _Id;
} _Thrd_imp_t;

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

#include <iostream>
using namespace std;
#include <thread>
void ThreadFunc(int a) {
 cout << "Thread1" << a << endl; }
class TF
{
public:
 void operator()()
 {
 cout << "Thread3" << endl;
 }
};
int main()
 // 线程函数为函数指针
 thread t1(ThreadFunc, 10);
 
 // 线程函数为lambda表达式
 thread t2([]{cout << "Thread2" << endl; });
 // 线程函数为函数对象
 TF tf;
 thread t3(tf);
 t1.join();
 t2.join();
 t3.join();
 cout << "Main thread!" << endl;
 return 0; }

4.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，转移期间不意向线程的执行

5.可以通过jionable()函数判断线程是否是有效的，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(没有提供线程函数，即这个线程本身就是无效的)
线程对象的状态已经转移给其他线程对象(资源被转移)
线程已经调用jion或者detach结束(线程已结束，或者已经分离)

1.2. 线程函数参数

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，因此：即使线程参数为引用类型，在线程中修改后也不能修改外部实参，因为其实际引用的是线程栈中的拷贝，而不是外部实参。

注意：如果是类成员函数作为线程参数时，必须将this作为线程函数参数

1.3. join与detach

启动了一个线程后，当这个线程结束的时候，如何去回收线程所使用的资源呢？thread库给我们两种选择：

join()方式
join()：主线程被阻塞，当新线程终止时，join()会清理相关的线程资源，然后返回，主线程再继续向下执行，然后销毁线程对象。由于join()清理了线程的相关资源，thread对象与已销毁的线程就没有关系了，因此一个线程对象只能使用一次join()，否则程序会崩溃。
采用jion()方式结束线程时，jion()的调用位置非常关键。为了避免该问题，可以采用RAII的方式对线程对象进行封装，RAII ：利用对象声明周期来管理线程资源，保证线程资源正常销毁，资源获取立即初始化，在构造函数中初始化资源，在析构函数中销毁资源。 比如：

#include <thread>
class mythread
{
public:
 explicit mythread(std::thread &t) :m_t(t){}
 ~mythread()
 {
 if (m_t.joinable())//判断线程是否还在
 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);
 mythread q(t);
 if (DoSomething())
 return -1;
 return 0; 
}

detach()方式
detach()：该函数被调用后，新线程与线程对象分离，不再被线程对象所表达，就不能通过线程对象控制线程了，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。同时，C++运行库保证，当线程退出时，其相关资源的能够正确的回收。

注意：线程对象销毁前，要么以jion()的方式等待线程结束，要么以detach()的方式将线程与线程对象分离。

二、原子性操作库

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。

2.1. atomic

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。

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<thread>
#include<atomic>
atomic<int>x = 0;
void Add(int n)
{

	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		x++;
	}
}
int main()
	thread t1(Add, 10000);
	thread t2(Add, 10000);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << x << endl;//20000
	return 0;

2.2. 锁

在多线程环境下，如果想要保证某个变量的安全性，只要将其设置成对应的原子类型即可，即高效又不容易出现死锁问题。但是有些情况下，我们可能需要保证一段代码的安全性，那么就只能通过锁的方式来进行控制。

1.lock、unlock:

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，该线程一直拥有该锁。
如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前的调用线程被阻塞住。
如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(同一线程，不可以连续调用两次锁)。

线程函数调用try_lock()时，可能会发生以下三种情况：

如果当前互斥量没有被其他线程占有，则该线程锁住互斥量，直到该线程调用 unlock 释放互斥量。
如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前调用线程返回 false，而并不会被阻塞掉(非阻塞式)。
如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁。

2.recursive_mutex:
允许同一个线程对互斥量多次上锁（即递归上锁），来获得对互斥量对象的多层所有权，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 的特性和mutex 大致相同。

3.timed_mutex:
比 mutex 多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until()

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（与 std::mutex的 try_lock() 不同，try_lock 如果被调用时没有获得锁则直接返回 false），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（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。

try_lock_until()
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（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。

int sum = 0;

timed_mutex Lock;
chrono::milliseconds timeout(100);//100毫秒
void func(int number)
{
	for (int i = 0; i < number; i++)
	{
		
		//Lock.try_lock_for(timeout);//接收一个时间范围
		Lock.try_lock_until(chrono::steady_clock::now() + timeout);//接收一个时间点
		sum++;
		Lock.unlock();
	}
}

4.recursive_timed_mutex
是recursive_mutex、timed_mutex两种锁的结合。

5.lock_guard(守卫锁):
加锁和解锁的过程，通过类的构造和析构来自动控制加锁和释放锁(RAII思想)

template<class _Mutex>
class lock_guard
{
public:

	// 构造函数加锁
	explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx)
		: _MyMutex(_Mtx)
	{
		_MyMutex.lock();
	}
	//通过析构函数释放锁
	~lock_guard() _NOEXCEPT
		_MyMutex.unlock();
	//防拷贝和防赋值
	lock_guard(const lock_guard&) = delete;
	lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
	_Mutex& _MyMutex;
};

int sum = 0;
mutex Lock;
void func(int number)
{
	for (int i = 0; i < number; i++)
	{
		lock_guard<mutex> lg(Lock);
		sum++;
	}
}

lock_guard类模板主要是通过RAII的方式，对其管理的互斥量进行了封装，在需要
加锁的地方，只需要用上述介绍的任意互斥体实例化一个lock_guard，调用构造函数成功上锁，出作用域前，lock_guard对象要被销毁，调用析构函数自动解锁，可以有效避免死锁问题。
lock_guard的缺陷：太单一，用户没有办法对该锁进行控制，因此C++11又提供了unique_lock。

6.unique_lock

与lock_gard类似，unique_lock类模板也是采用RAII的方式对锁进行了封装，并且也是以独占所有权的方式管理mutex对象的上锁和解锁操作，即其对象之间不能发生拷贝。在构造(或移动(move)赋值)时，unique_lock 对象需要传递一个 Mutex 对象作为它的参数，新创建的 unique_lock 对象负责传入的 Mutex对象的上锁和解锁操作。使用以上类型互斥量实例化unique_lock的对象时，自动调用构造函数上锁，unique_lock对象销毁时自动调用析构函数解锁，可以很方便的防止死锁问题。与lock_guard不同的是，unique_lock更加的灵活，提供了更多的成员函数：

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、使用lambda表达式创建多个线程

#include<iostream>
#include<thread>
#include<atomic>
#include<vector>
using namespace std;
int main()
{

	atomic<int>x = 0;
	//m个线程对x加n次
	int m, n;
	cin >> m >> n;
	vector<thread>vthreads;
	for (int i = 0; i < m; i++)
	{
		vthreads.push_back(thread([&x](int count) {
			for (int i = 0; i < count; i++)
			{
				x++;
			}
			}, n));
	}
	for (auto& t : vthreads)
		cout << t.get_id() <<".join()" << endl;
		t.join();
	cout << x << endl;
	return 0;
}

四、条件变量

需要注意的是，传入wait的锁不能是lock_guard，这是因为lock_guard没有解锁接口

唤醒：

Notify one -> 唤醒一个
notify_all -> 唤醒一批

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<condition_variable>
using namespace std;

int main()
{
	int n = 20;
	mutex mtx1,mtx2;
	unique_lock<mutex> t;
	condition_variable cv1,cv2;
	//使用两个线程打印0-n的数，一个打印奇数，一个打印偶数
	thread t1([&]() 
		{
			for (int i = 0; i < n; i+=2)
			{
			
				cout << this_thread::get_id() << ":" << i << endl;
				cv2.notify_one();//打印偶数以后通知t2
				unique_lock<mutex> lock(mtx1);
				cv1.wait(lock);
			}
		});
	thread t2([&]() 
		{
			for (int i = 1; i < n; i+=2)
			{
				unique_lock<mutex> lock(mtx2);
				cv2.wait(lock);
				cout << this_thread::get_id() << ":" << i << endl;
				cv1.notify_one();//t2打印奇数以后，通知t1
			}
		});
	t1.join();
	t2.join();
	return 0;
}

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