前言

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。

一、thread的简单介绍

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
joinable()	线程是否还在执行，joinable代表的是一个正在执行中的线程。
join()	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

注意：
1.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。
2.当创建一个线程对象后，没有提供线程函数，该对象实际没有对应任何线程。

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

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

在VS下查看

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：
1.函数指针
2.lambda表达式
3.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;
}

 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。（右值引用）

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
1.采用无参构造函数构造的线程对象
2。线程对象的状态已经转移给其他线程对象
3.线程已经调用jion或者detach结束

并发和并行的区别：并发是多个任务交替执行，单核就能实现，宏观上同时运行；并行是多个任务同时执行，需要多核 CPU 支持；并行属于并发的子集。

• 并发（Concurrency）：单核 CPU，多个任务交替、轮流执行，同一时刻只有一个任务在跑，只是切换速度快，看起来像同时进行。
• 并行（Parallelism）：多核 / 多 CPU，多个任务真正同时执行，同一时刻多个任务一起运行。

二、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。

#include <thread>
void ThreadFunc1(int& x)
{
   x += 10;
}
void ThreadFunc2(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;
 
 //地址的拷贝
 thread t3(ThreadFunc2, &a);
 t3.join();
 cout << a << endl;
 return 0;
}

t1输出：：// 输出 10 // 原因：thread 默认拷贝，引用绑的是拷贝，外面没变
t2输出：：// 输出 20 // 原因：std::ref 真正传引用，a = 10 +10 =20
t3输出：：// 输出 30 // 原因：传指针，指向原a，a=20+10=30

问：为什么 t1 无法修改外部变量？
因为 std::thread 默认会拷贝所有参数到线程内部栈空间，即使函数形参是引用，引用绑定的也是拷贝后的临时变量，不会影响外部实参。

问：如何让线程函数真正修改外部变量？
使用 std::ref() 包装变量，传递真正的引用
直接传递变量地址（指针）

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。

三、 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。
 

// join()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;
}
/*
说明：如果DoSomething()函数返回false,主线程将会结束，join()没有调用，线程资源没有回收，
造成资源泄漏。
*/

// join()的误用二
void ThreadFunc() { cout<<"ThreadFunc()"<<endl; }
void Test1() { throw 1; }
void Test2()
{
int* p = new int[10];
std::thread t(ThreadFunc);
try
{
Test1();
}
catch(...)
{
delete[] p;
throw;
}
t.jion();
}

因此：采用join()方式结束线程时，join()的调用位置非常关键。为了避免该问题，可以采用RAII的方式对线程对象进行封装，比如：

#include <thread>
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);
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。
就像是你和你女朋友分手，那之后你们就不会再有联系（交互）了，而她的之后消费的各种资源也就不需要你去埋单了（清理资源）。
detach()函数一般在线程对象创建好之后就调用，因为如果不是join()等待方式结束，那么线程对象可能会在新线程结束之前被销毁掉而导致程序崩溃。因为std::thread的析构函数中，如果线程的状态是joinable，std::terminate将会被调用，而terminate()函数直接会终止程序。
因此：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。

四、原子性操作库(atomic)

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。
如

#include <iostream>
using namespace std;
#include <thread>
unsigned long sum = 0;
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;
}

会导致数据加不完全，得不到想要的结果
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

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

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。

#include <atomic>
atomic_long sum{ 0 };//对应的是内置类型long
void fun(size_t num)
{
  for (size_t i = 0; i < num; ++i)
  sum ++;//原子操作
}

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 <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;
}

五、 lock_guard与unique_lock

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。
比如：一个线程对变量number进行加一100次，另外一个减一100次，每次操作加一或者减一之后，输出number的结果，要求：number最后的值为1。

#include <thread>
#include <mutex>
int number = 0;
mutex g_lock;
int ThreadProc1()
{
   for (int i = 0; i < 100; i++)
 {
  g_lock.lock();
  ++number;
  cout << "thread 1 :" << number << endl;
  g_lock.unlock();
 }
 return 0;
}

int ThreadProc2()
{
  for (int i = 0; i < 100; i++)
 {
  g_lock.lock();
  --number;
  cout << "thread 2 :" << number << endl;
  g_lock.unlock();
 }
  return 0;
}

int main()
{
 thread t1(ThreadProc1);
 thread t2(ThreadProc2);
 t1.join();
 t2.join();
 cout << "number:" << number << endl;
 system("pause");
 return 0;
}

上述代码的缺陷：锁控制不好时，可能会造成死锁，最常见的比如在锁中间代码返回，或者在锁的范围内抛异常。因此：C++11采用RAII的方式对锁进行了封装，即lock_guard和unique_lock。

1.Mutex的种类
在C++11中，Mutex总共包了四个互斥量的种类：
（1）std::mutex
C++11提供的最基本的互斥量，该类的对象之间不能拷贝，也不能进行移动。mutex最常用的三个函数：
 

函数名	函数功能
lock()	上锁：锁住互斥量
unlock()	解锁：释放对互斥量的所有权
try_lock()	尝试锁住互斥量，如果互斥量被其他线程占有，则当前线程也不会被阻塞

注意，线程函数调用lock()时，可能会发生以下三种情况：
 1.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
 2.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
 3.如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)
 4.线程函数调用try_lock()时，可能会发生以下三种情况：
 5.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
 6.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
 7.如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)

2. std::recursive_mutex
其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，std::recursive_mutex的特性和
std::mutex大致相同。

3. std::timed_mutex
比std::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。

4.std::recursive_timed_mutex
是 C++ 标准库中提供的一种互斥锁类型，允许同一线程多次获取锁，同时支持超时功能。它结合了递归锁和定时锁的特性，适用于需要递归访问共享资源并希望避免长时间阻塞的场景。
成员函数和std::timed_mutex一样

5. lock_guard
std::lock_gurad是C++11中定义的模板类。定义如下：
 

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;
};

通过上述代码可以看到，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。

 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)。

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总结

对线程和锁的理解，理解的很浅显，记录一下，感谢理解。