【C++11】thread类

1.thread线程库

1.1thread类的简单使用

​ 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。

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

int main()
{
    thread t1;
    cout<<t1.get_id()<<endl;
    return 0;
}

输出：thread::id of a non-executing thread

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

void Threadfunc(int a)
{
    cout<<"Thread1:"<<a<<endl;
}

class FF
{
public:
    void operator()()
    {
        cout<<"Thread2:"<<endl;
    }
};

int main()
{
    //传递函数指针
    
    thread t1(Threadfunc,10);
    //传递lambda表达式
    
    thread t2( []{ cout<<"Thread2"<<endl; } );
    
    //线程函数为函数对象
    FF ff;
    thread t3(ff);
    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    cout<<"This is main thread"<<endl;
    return 0;
}

• 出现上面的情况是因为，线程是并行的，所以所有的线程是同时执行。
• 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
• 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
  • 线程对象的状态已经转移给其他线程对象
  • 线程已经调用jion或者detach结束

1.2线程栈

​ C++多线程程序中，每一个线程都有一个线程栈，它们相互独立，因此在线程栈中的数据，是不会被其他线程影响到。

​ 但是在内存中的数据段的数据，是可以在全局被访问到的。【比如静态变量，全局变量等。】

​ 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为外部实参，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;
}

1.3join与detach

1.3.1join()

启动了一个线程后，当这个线程结束的时候，thread库给我们两种选择去回收线程的资源：
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。

// jion()的误用
void ThreadFunc() { cout<<"ThreadFunc()"<<endl; }
bool DoSomething() 
{ 
    return false; 
}
int main()
{
	std::thread t(ThreadFunc);
	if(!DoSomething())
		return -1;
	t.join();
	return 0;
}
/*
	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，最后造成资源泄漏。
*/

​ 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【资源获取就是初始化】**的方式对线程对象进行封装。

class mythread
{
public:
    //构造函数
    explicit mythread(std::thread& t):my_t(t){}
    //析构函数
    ~mythread()
    {
        if(!my_t.joinable())
        {
            //如果线程没有在运行，就回收线程资源
            my_t.join();
        }
    }
    mythread(mythread const&)=delete;
    mythread& operator=(const mythread&)=delete;
private:
    std:thread& my_t;
}

1.3.2 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。 【总而言之，调用detach()就是让系统回收资源】

1.4死锁问题

​ 定义：死锁是值两个或者两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞现象。 若无外力作用，它们都将无法推进下去，此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，而这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

例如，如果线程A锁住了记录1并等待记录2，而线程B锁住了记录2并等待记录1，这样两个线程就发生了死锁现象。

1.4.1情况一：忘记释放锁

函数调用先于释放锁，锁还没来得及释放进程就退出。

std::mutex m;
void func()
{
    //进程报锁
    m.lock();
    if(1)
    {
        return ;
    }
    m.unlock();
}

1.4.2情况二：线程重复申请锁

mutex _mutex;
void func()
{
	_mutex.lock();
	//do somrthing....
    //重复申请锁，第二次申请处于阻塞等待状态
    _mutex.lock();
    
	_mutex.unlock();
}

1.4.3双线程多锁申请

下面的例子中，process1和process2先对_mutex1和_mutex2上锁。

然后由于 _ mutex2已经上锁，process1会一直阻塞等待 _ mutex2；同样，由于 _ mutex1上锁，process2会一直阻塞等待 _mutex1

mutex _mutex1;
mutex _mutex2;
 
void process1() {
	_mutex1.lock();
	_mutex2.lock();
	//do something1...
	_mutex2.unlock();
	_mutex1.unlock();
}
 
void process2() {
	_mutex2.lock();
	_mutex1.lock();
	//do something2...
	_mutex1.unlock();
	_mutex2.unlock();
}

1.5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(线程安全问题)。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。

#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;
}

输出:

Before joining,sum = 0
After joining,sum = 11007837

C++98中的解决方法：对需要修改的共享数据加锁保护

mutex m;
unsigned long sum = 0;
void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
    {
        //让进程报锁
        m.lock();
        sum++;
        //进程解锁
        m.unlock();
    }
}

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;
}

输出：

Before joining,sum = 0
After joining,sum = 20000000

​ 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 <iostream>
using namespace std;
#include <thread>
#include <atomic>

//实现原子操作
atomic_long sum{ 0 };
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;
}

输出：

Before joining, sum = 0
After joining, sum = 2000000

​ 在C++11中，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

​ 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。

2.lock_guardy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

//全局变量属于线程共享资源
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 。

2.1Mutex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：

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 **

​ 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。

2.2lock_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，如果_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可以简化lock/unlock的写法，同时也更安全，因为lock_guard在构造时会自动锁定互斥量，而在退出作用域后进行析构会自动解锁，从而保证了互斥量的正确操作，避免忘记unlock操作，因此，应尽量用lock_guard。lock_guard用到了RAII技术，这种技术在类的构造函数中分配资源，在析构函数中释放资源，保证了资源在出了作用域之后就释放。

下面是使用lock_guard的简单例子

#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::lock_guard, std::adopt_lock


//定义互斥量
std::mutex mtx;           // mutex for critical section
void print_thread_id (int id) 
{
  mtx.lock();
  //此时mtx已经上锁，所以需要使用adopt_lock
  std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx, std::adopt_lock);
  std::cout << "thread #" << id << '\n';
}
//析构时，会自动的调用unlock函数

int main ()
{
  std::thread threads[10];
  // spawn 10 threads:
  for (int i=0; i<10; ++i)
    threads[i] = std::thread(print_thread_id,i+1);
 
  //回收线程
  for (auto& th : threads) th.join();
 
  return 0;
}

输出：

thread #1
thread #2
thread #3
thread #4
thread #5
thread #6
thread #7
thread #8
thread #9
thread #10

2.3unique_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)