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💗系列专栏： 【C语言详解】 【数据结构详解】【C++详解】

目录

1 线程库

1.1 thread类的简单介绍

1.2 线程函数参数

1.3 原子性操作库(atomic)

1.4 lock_guard与unique_lock

1.4.1 mutex的种类

1.4.2 lock_guard

1.4.3 unique_lock

1.5 支持两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数

1 线程库

1.1 thread类的简单介绍

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。

C++11 线程类

https://cplusplus.com/reference/thread/thread/

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。

代码演示

<code>#include<iostream>

#include<thread>

using namespace std;

int main()

{

std::thread t1;

cout << t1.get_id() << endl;

return 0;

}

运行结果 

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：

<code>// vs下查看

typedef struct

{

/* thread identifier for Win32 */

void *_Hnd; /* Win32 HANDLE */

unsigned int _Id;

} _Thrd_imp_t;

3. 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

代码演示

#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();// 阻塞线程

t2.join();

t3.join();

cout << "Main thread!" << endl;

return 0;

}

运行结果 

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 

采用无参构造函数构造的线程对象线程对象的状态已经转移给其他线程对象线程已经调用join或者detach结束

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。

代码演示 

<code>#include<iostream>

#include<thread>

using namespace std;

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

// vs 2022中必须显示传引用std::ref才行

//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;

}

运行结果 

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 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。比如：

代码演示

<code>#include<iostream>

#include<thread>

using namespace std;

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;

}

运行结果 

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。

代码演示

<code>#include<iostream>

#include<thread>

#include<mutex>

using namespace std;

mutex mtx;// 头文件#include<mutex>

unsigned long sum = 0L;

void fun(size_t num)

{

mtx.lock();// 上锁

for (size_t i = 0; i < num; ++i)

{

sum++;

}

mtx.unlock();// 解锁

}

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;

}

运行结果 

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：需要使用以上原子操作变量时，必须添加头文件<atomic>

代码演示

<code>#include<iostream>

#include<thread>

#include<atomic>

using namespace std;

atomic_long sum{ 0 };// 原子操作变量

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;

}

运行结果 

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。 

<code>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<iostream>

#include<atomic>

using namespace std;

int main()

{

atomic<int> a1(0);

//atomic<int> a2(a1);   // 拷贝构造编译失败

atomic<int> a2(0);

//a2 = a1;               // 赋值重载编译失败

return 0;

}

1.4 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0。

代码演示

#include<iostream>

#include<thread>

using namespace std;

int number = 0;

mutex g_lock;

int ThreadProc1()

{

g_lock.lock();

for (int i = 0; i < 100; i++)

{

++number;

cout << "thread 1 :" << number << endl;

}

g_lock.unlock();

return 0;

}

int ThreadProc2()

{

g_lock.lock();

for (int i = 0; i < 100; i++)

{

--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;

}

运行结果  

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。

<code>class LockGuard

{

public:

// 不支持拷贝构造，因此需要将成员变量设为引用变量

// 构造上锁

LockGuard(mutex& mtx)

:_mtx(mtx)

{

_mtx.lock();

}

~LockGuard()

{

_mtx.unlock();

}

private:

mutex& _mtx;

};

1.4.1 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：

注意，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(deadlock)

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

1.4.2 lock_guard

std::lock_gurad 是 C++11 中定义的模板类。定义如下：

<code>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。

1.4.3 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)。

1.5 支持两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数

本节主要演示了condition_variable的使用，condition_variable熟悉我们linux课程已经讲过了，他们用来进行线程之间的互相通知。condition_variable和Linux posix的条件变量并没有什么大的区别，主要还是面向对象实现的。

代码演示

#include<iostream>

#include<thread>

#include<mutex>

#include<condition_variable>

using namespace std;

// 两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数

// [0 - n)

int main()

{

mutex mtx;

condition_variable c;

int n = 100;

bool flag = true;

// 保证第一个打印的是0，不管是什么顺序

thread t1([&]() {

int i = 0;

while (i < n)

{

unique_lock<mutex> lock(mtx);

// flag == true 不会阻塞

// flag == false 一直阻塞

while (!flag)

c.wait(lock);

cout << i << endl;

flag = false;

i += 2;

// 唤醒线程

c.notify_one();

}

});

// 休眠1秒

this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));

thread t2([&]() {

int j = 1;

while (j < n)

{

unique_lock<mutex> lock(mtx);

// flag == true 一直阻塞

// flag == false 不会阻塞

while (flag)

c.wait(lock);

cout << j << endl;

flag = true;

j += 2;

// 唤醒线程

c.notify_one();

}

});

t1.join();

t2.join();

return 0;

}

运行结果