c++11 多线程 -- 基本使用

c++11 多线程 – 基本使用

前言：这篇文章仅针对没有使用过c++11线程库的童鞋来快速入门，也是自己的一个简单记录，内容比较基础。

• 1.线程的基本使用
• 2.互斥量
• 3.条件变量
• 4.原子变量
• 补充

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1.线程的基本使用

代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <thread>
#include <iostream>

int k = 0;

void fun(void)
{
    //线程休眠，chrono是c++11的时间相关库。
          std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));
    for(int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        std::cout << "hello world" << std::endl;
        k++;
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    //创建线程对象
    std::thread t1(fun);
    //输出线程id和cpu核数
    std::cout << "ID:" << t1.get_id() << std::endl;
    std::cout << "CPU:" << std::thread::hardware_concurrency() << std::endl;
    //主函数阻塞等待线程结束
    t1.join();
    //主函数和线程函数分离执行，线程变为后台线程
    //t1.detach();

    std::cout << k << std::endl;

    return EXIT_SUCCESS;
}

注意：
1.linux下用gcc或clang必须加-pthread连接到线程库，否则会出错。
2.主线程函数不能提前结束于新创建的线程函数，因为在c++11中，线程也是对象，主函数结束线程对象即销毁。
3.t.join()是主函数阻塞等待线程结束才能结束，主函数会继续执行，并阻塞在return处
t.detach()主函数和线程函数分离，各自执行各自的，线程变为后台线程。
4.可通过bind和lambda创建线程
可以将线程保存在容器中，以保证线程对象的声明周期。
但是注意线程没有拷贝构造函数，有移动构造函数。

图上可以看出拷贝构造函数为delete。

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2.互斥量

分为4种
std::mutex 独占的互斥量，不能递归使用
std::timed_mutex 带超时的独占的互斥量，不能递归使用
std::recursive_mutex 递归互斥量，不带超时功能
std::recursive_timed_mutex 带超时的递归互斥量

代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex g_lock;
int i = 0;

void func(void)
{
    //使用RAII手法，在离开作用域时自动释放
    std::lock_guard<std::mutex>locker(g_lock);
    //正常的互斥锁上锁
    //g_lock.lock();
    i++;
    std::cout << i << std::endl;
    //互斥锁解锁
    //g_lock.unlock();
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    std::thread t1(func);
    std::thread t2(func);
    std::thread t3(func);
    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();

    return EXIT_SUCCESS;
}

注意：
1.多次获取互斥量可能会发生死锁，所以我们调用std::recursive_mutex递归锁，允许同一线程多次获得该锁，一般不要使用递归锁，原因：<1.用到递归锁会使得程序的逻辑变复杂，使用到递归锁的程序一般可以简化。<2.递归锁比非递归锁效率低。<3.递归锁的可重入次数是有限的，超过也会报错。
2.可以使用带超时时间的互斥锁，避免阻塞在等待互斥锁上。
3.unique_lock: 是一个通用的互斥量封装类。与lock_guard不同，它还支持延迟加锁、时间锁、递归锁、锁所有权的转移并且还支持使用条件变量。这也是一个不可复制的类，但它是可以移动的类。

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3.条件变量

阻塞一个或多个线程，直到收到另外一个线程发来的通知或者超时，才会唤醒当前阻塞的进程
条件变量需要和互斥量配合使用
c++11提供了两种条件变量
1.std::condition_variable，配合std::unique_lock进行wait操作
2.std::condition_variable_any，和任意带有lock，unlock的mutex进行搭配使用，比较灵活但效率略低。
条件变量的wait还有一个重载的方法，可以设置一个条件，条件变量会先检查判断式是否满足条件。

原理：
当 std::condition_variable 对象的某个 wait 函数被调用的时候，它使用 std::unique_lock(通过 std::mutex) 来锁住当前线程。当前线程会一直被阻塞，直到另外一个线程在相同的 std::condition_variable 对象上调用了 notification 函数来唤醒当前线程。

代码：用c++11多线程实现同步队列

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <condition_variable>
#include <iostream>
#include <list>
#include <vector>
#include <memory>
#include <unistd.h>

template<typename T>
class SynQueue
{
    public:
        //构造函数
        SynQueue(int MaxSize):
            m_maxsize(MaxSize) { }

        //将T类型对象放入队列
        void Put(const T&x)
        {
            std::lock_guard<std::mutex>locker(m_mutex);
            while(isFull())
            {
                //如果满了，等待
                m_notFull.wait(m_mutex);
            }
            m_queue.push_back(x);
            //通过条件变量唤醒一个线程，也可以所有线程
            m_notEmpty.notify_one();
        }

        //将T类型对象从队列取出
        void Take(T&x)
        {
            std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex);
            while(isEmpty())
            {
                std::cout << "no resource... please wait" << std::endl;
                m_notEmpty.wait(m_mutex);
            }
            x = m_queue.front();
            m_queue.pop_front();
            m_notFull.notify_one();
        }

        //判断队列是否为空
        bool Empty()
        {
            std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex);
            return m_queue.empty();
        }

        //判断队列是否为满
        bool Full()
        {
            std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex);
            return m_queue.size() == m_maxsize;
        }

        //返回队列大小
        size_t Size()
        {
            std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex);
            return m_queue.size();
        }

    private:
        //判断空或满,内部使用不需要加锁
        bool isFull() const
        {
            return m_queue.size() == m_maxsize;
        }
        bool isEmpty() const
        {
            return m_queue.empty();
        }

    private:
        //队列
        std::list<T>m_queue;
        //互斥锁
        std::mutex m_mutex;
        //不为空时的条件变量
        std::condition_variable_any m_notEmpty;
        //不为满时的条件变量
        std::condition_variable_any m_notFull;
        //队列最大长度
        int m_maxsize;
};

void func(SynQueue<int> *sq)
{
    int ret;
    sq->Take(ret);
    std::cout << ret << std::endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    //创建线程队列，长度最大为20
    SynQueue<int>syn(20);
    //放置数据对象
    for(int i = 0; i < 10; i++)
    {
        syn.Put(i);
    }
    std::cout << syn.Size() << std::endl;

    //线程不能拷贝，用容器和智能指针来管理线程生存
    std::vector<std::shared_ptr<std::thread>> tvec;
    //多循环一次，资源不足，阻塞最后一个线程，在后面添加一个资源，看该线程是否会被唤醒执行。
    for(int i = 0; i < 11; i++)
    {
        //创建线程并且将管理线程的智能指针保存到容器中
        tvec.push_back(std::make_shared<std::thread>(func, &syn));
        //变为后台线程
        tvec[i]->detach();
    }
    sleep(10);
    //添加一个资源
    syn.Put(11);
    sleep(10);

    return EXIT_SUCCESS;
}

运行结果：

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4.原子变量

原子变量，为原子操作，不需要加锁
std::atomic<T>
详情可参考，这里仅简单举例用法
cppreference atomic

代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <atomic>
#include <thread>
#include <vector>
#include <iostream>

//创建int类型的原子变量
std::atomic<int>atc(0);

void func()
{
    std::cout << atc << std::endl;
    原子变量自增
    atc++;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    std::vector<std::thread>tvec;
    for(int i = 0; i < 10; i++)
    {
        std::thread t(func);
        //线程对象移动语义
        tvec.push_back(std::move(t));
        tvec[i].join();
    }

    return EXIT_SUCCESS;
}

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补充：

1.线程创建函数可以为各种可调用类型,函数指针，仿函数，lambda表达式。但是注意，线程参数会以默认的方式被复制到内部存储空间中，即便函数中的相应参数期待引用，线程执行函数内部可以访问它们。
可能我们想传递引用在线程执行函数内部修改并返回结果，但复制会导致达不到预期的效果，解决方案是传递引用参数时用std::ref来包装或者传递指针。

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2.线程初始化执行函数也可以传递一个成员函数
std::thread tid(&x::func, &my_func)

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3.线程不支持拷贝，但支持所有权移动。

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4.如果线程执行函数使用了临时变量可能会出现问题，线程调用了detach在后台运行时，临时变量可能已经销毁，那么线程会访问已经被销毁的变量。join能保证。