【C++11】线程库

thread类常用成员函数

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() 判断线程是否还在执行
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

  1. 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。//输出0

#include <thread>
int main()
{
	 std::thread t1;
	 cout << t1.get_id() << endl;
	 return 0;
}
  1. 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：即可调用对象
    函数指针
    lambda表达式
    函数对象
#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

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;
}
  1. 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。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
  2. 可以通过joinable()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
    a. 采用无参构造函数构造的线程对象
    b. 线程对象的状态已经转移给其他线程对象
    c. 线程已经调用jion或者detach结束

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。

// 如果想要通过形参改变外部实参时，必须借助std::ref()函数

#include<iostream>
#include<string>
#include<mutex>
#include<thread>
#include<chrono>
using namespace std;

void Print1(size_t n, const string& s, mutex& m, int& rx)
{
	for (size_t i = 0; i < n; i++)
	{
		m.lock();

		cout <<this_thread::get_id()<<s<<":" << rx << endl;
		++rx;

		m.unlock();

		this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(300));
	}
}

int main()
{
	mutex mtx;
	int x = 0;
	thread t1(Print1, 10,  "xxxx", ref(mtx), ref(x));
	thread t2(Print1, 20, "yyyy", ref(mtx), ref(x));

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

	cout << x << endl;

	return 0;
}

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. 根本原因：成员函数的隐藏参数
    类的非静态成员函数有一个隐藏的第一个参数—— 当前对象的 this 指针
  2. 线程函数的要求
    std::thread 构造时需要的可调用对象（线程函数），其参数列表必须是显式声明的。
#include <iostream>
#include <thread>

class MyClass {
private:
	int num = 0;
public:
	void thread_func(int add) {
		num += add;
		std::cout << "当前对象地址: " << this << ", num = " << num << std::endl;
	}
};

int main() {
	MyClass obj;

	// 错误写法：未传递 this 指针
	// std::thread t(&MyClass::thread_func, 5);  // 编译失败

	// 正确写法：将 this 作为第一个参数
	std::thread t(&MyClass::thread_func, &obj, 5);  // &obj 即 this 指针
	t.join();

	return 0;
}

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，就会产生很多问题

  1. C++98：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。

  2. C++11：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。
    在这里插入图片描述

使用atomic类模板，定义出需要的任意原子类型。
//atmoic 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;
}

lock_guard与unique_lock

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。

mutex的种类

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

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)

线程函数调用try_lock()时，可能会发生以下三种情况：
4. 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
5. 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
6. 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

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() 。

  1. 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。
  2. 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

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;
};

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

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)。

支持两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数

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

//t1先，t2后
void two_thread_print()
{
	std::mutex mtx;
	condition_variable c;
	int n = 100;
	bool flag = true;
	thread t1([&]() {
		int i = 0;
		while (i < n)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mtx);
			c.wait(lock, [&]()->bool {return flag; });
			cout << "t1:" << i << endl;
			flag = false;
			i += 2; // 偶数
			c.notify_one();
		}
		});
	thread t2([&]() {
		int j = 1;
		while (j < n)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mtx);
			c.wait(lock, [&]()->bool {return !flag; });
			cout << "t2:" << j << endl;
			j += 2; // 奇数
			flag = true;
			c.notify_one();
		}
		});
	t1.join();
	t2.join();
}
int main()
{
	two_thread_print();
	return 0;
}

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

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总结
无论线程调度顺序如何（t1 先执行、t2 先执行、线程延迟或虚假唤醒），代码通过：

  1. 初始 flag = true 确保首个打印为偶数；
  2. 严格的 “修改 flag→通知对方” 的状态切换；
  3. 条件变量的等待 / 唤醒机制；

最终能稳定实现 “偶数→奇数→偶数→奇数……” 的循环打印，覆盖所有可能的线程调度场景。

自旋锁与互斥锁

在这里插入图片描述

互斥锁通过 “休眠等待” 减少 CPU 消耗，自旋锁通过 “忙等” 减少上下文切换。

this_thread::yield()：当前线程主动放弃 CPU 使用权

this_thread::yield() 的主要目的是：当前线程主动放弃 CPU 使用权，将调度机会让给其他同优先级（或系统认为 “更需要”）的线程，但当前线程会立即回到 “就绪状态”，参与下一轮的 CPU 调度竞争。

在这里插入图片描述

this_thread::yield() 是线程 “主动礼让” 的工具，核心价值是在不阻塞线程的前提下，临时放弃 CPU 时间片，让其他线程有机会执行。适合自旋锁优化、低优先级任务谦让、避免线程饥饿等场景

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