c++11新特性之线程相关全部知识点

时间 2020-05-04

标签 c++11 特性线程相关全部知识栏目 C&C++ 繁體版

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c++11关于并发引入了好多好东西，这里按照以下顺序介绍：html

std::thread相关
std::mutex相关
std::lock相关
std::atomic相关
std::call_once相关
volatile相关
std::condition_variable相关
std::future相关
async相关

std::thread相关

c++11以前你可能使用pthread_xxx来建立线程，繁琐且不易读，c++11引入了std::thread来建立线程，支持对线程join或者detach。直接看代码：ios

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

int main() {
    auto func = []() {
        for (int i = 0; i < 10; ++i) {
            cout << i << " ";
        }
        cout << endl;
    };
    std::thread t(func);
    if (t.joinable()) {
        t.detach();
    }
    auto func1 = [](int k) {
        for (int i = 0; i < k; ++i) {
            cout << i << " ";
        }
        cout << endl;
    };
    std::thread tt(func1, 20);
    if (tt.joinable()) { // 检查线程能否被join
        tt.join();
    }
    return 0;
}

上述代码中，函数func和func1运行在线程对象t和tt中，从刚建立对象开始就会新建一个线程用于执行函数，调用join函数将会阻塞主线程，直到线程函数执行结束，线程函数的返回值将会被忽略。若是不但愿线程被阻塞执行，能够调用线程对象的detach函数，表示将线程和线程对象分离。c++

若是没有调用join或者detach函数，假如线程函数执行时间较长，此时线程对象的生命周期结束调用析构函数清理资源，这时可能会发生错误，这里有两种解决办法，一个是调用join()，保证线程函数的生命周期和线程对象的生命周期相同，另外一个是调用detach()，将线程和线程对象分离，这里须要注意，若是线程已经和对象分离，那咱们就再也没法控制线程何时结束了，不能再经过join来等待线程执行完。编程

这里能够对thread进行封装，避免没有调用join或者detach可致使程序出错的状况出现：promise

class ThreadGuard {
   public:
    enum class DesAction { join, detach };

    ThreadGuard(std::thread&& t, DesAction a) : t_(std::move(t)), action_(a){};

    ~ThreadGuard() {
        if (t_.joinable()) {
            if (action_ == DesAction::join) {
                t_.join();
            } else {
                t_.detach();
            }
        }
    }

    ThreadGuard(ThreadGuard&&) = default;
    ThreadGuard& operator=(ThreadGuard&&) = default;

    std::thread& get() { return t_; }

   private:
    std::thread t_;
    DesAction action_;
};

int main() {
    ThreadGuard t(std::thread([]() {
        for (int i = 0; i < 10; ++i) {
            std::cout << "thread guard " << i << " ";
        }
        std::cout << std::endl;}), ThreadGuard::DesAction::join);
    return 0;
}

c++11还提供了获取线程id，或者系统cpu个数，获取thread native_handle，使得线程休眠等功能安全

std::thread t(func);
cout << "当前线程ID " << t.get_id() << endl;
cout << "当前cpu个数 " << std::thread::hardware_concurrency() << endl;
auto handle = t.native_handle();// handle可用于pthread相关操做
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

std::mutex相关

std::mutex是一种线程同步的手段，用于保存多线程同时操做的共享数据。多线程

mutex分为四种：并发

std::mutex：独占的互斥量，不能递归使用，不带超时功能
std::recursive_mutex：递归互斥量，可重入，不带超时功能
std::timed_mutex：带超时的互斥量，不能递归
std::recursive_timed_mutex：带超时的互斥量，能够递归使用

拿一个std::mutex和std::timed_mutex举例吧，别的都是相似的使用方式：异步

std::mutex:async

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>

using namespace std;
std::mutex mutex_;

int main() {
    auto func1 = [](int k) {
        mutex_.lock();
        for (int i = 0; i < k; ++i) {
            cout << i << " ";
        }
        cout << endl;
        mutex_.unlock();
    };
    std::thread threads[5];
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        threads[i] = std::thread(func1, 200);
    }
    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }
    return 0;
}

std::timed_mutex:

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <chrono>

using namespace std;
std::timed_mutex timed_mutex_;

int main() {
    auto func1 = [](int k) {
        timed_mutex_.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200));
        for (int i = 0; i < k; ++i) {
            cout << i << " ";
        }
        cout << endl;
        timed_mutex_.unlock();
    };
    std::thread threads[5];
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        threads[i] = std::thread(func1, 200);
    }
    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }
    return 0;
}

std::lock相关

这里主要介绍两种RAII方式的锁封装，能够动态的释放锁资源，防止线程因为编码失误致使一直持有锁。

c++11主要有std::lock_guard和std::unique_lock两种方式，使用方式都相似，以下：

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <chrono>

using namespace std;
std::mutex mutex_;

int main() {
    auto func1 = [](int k) {
        // std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        for (int i = 0; i < k; ++i) {
            cout << i << " ";
        }
        cout << endl;
    };
    std::thread threads[5];
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        threads[i] = std::thread(func1, 200);
    }
    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }
    return 0;
}

std::lock_gurad相比于std::unique_lock更加轻量级，少了一些成员函数，std::unique_lock类有unlock函数，能够手动释放锁，因此条件变量都配合std::unique_lock使用，而不是std::lock_guard，由于条件变量在wait时须要有手动释放锁的能力，具体关于条件变量后面会讲到。

std::atomic相关

c++11提供了原子类型std::atomic<T>，理论上这个T能够是任意类型，可是我平时只存放整形，别的还真的没用过，整形有这种原子变量已经足够方便，就不须要使用std::mutex来保护该变量啦。看一个计数器的代码：

struct OriginCounter { // 普通的计数器
    int count;
    std::mutex mutex_;
    void add() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        ++count;
    }

    void sub() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        --count;
    }

    int get() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        return count;
    }
};

struct NewCounter { // 使用原子变量的计数器
    std::atomic<int> count;
    void add() {
        ++count;
        // count.store(++count);这种方式也能够
    }

    void sub() {
        --count;
        // count.store(--count);
    }

    int get() {
        return count.load();
    }
};

是否是使用原子变量更加方便了呢？

std::call_once相关

c++11提供了std::call_once来保证某一函数在多线程环境中只调用一次，它须要配合std::once_flag使用，直接看使用代码吧：

std::once_flag onceflag;

void CallOnce() {
    std::call_once(onceflag, []() {
        cout << "call once" << endl;
    });
}

int main() {
    std::thread threads[5];
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        threads[i] = std::thread(CallOnce);
    }
    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }
    return 0;
}

volatile相关

貌似把volatile放在并发里介绍不太合适，可是貌似不少人都会把volatile和多线程联系在一块儿，那就一块儿介绍下吧。

volatile一般用来创建内存屏障，volatile修饰的变量，编译器对访问该变量的代码一般再也不进行优化，看下面代码：

int *p = xxx;
int a = *p;
int b = *p;

a和b都等于p指向的值，通常编译器会对此作优化，把*p的值放入寄存器，就是传说中的工做内存(不是主内存)，以后a和b都等于寄存器的值，可是若是中间p地址的值改变，内存上的值改变啦，但a,b仍是从寄存器中取的值(不必定，看编译器优化结果)，这就不符合需求，因此在此对p加volatile修饰能够避免进行此类优化。

注意：volatile不能解决多线程安全问题，针对特种内存才须要使用volatile，它和atomic的特色以下：

std::atomic用于多线程访问的数据，且不用互斥量，用于并发编程中
volatile用于读写操做不能够被优化掉的内存，用于特种内存中

std::condition_variable相关

条件变量是c++11引入的一种同步机制，它能够阻塞一个线程或者个线程，直到有线程通知或者超时才会唤醒正在阻塞的线程，条件变量须要和锁配合使用，这里的锁就是上面介绍的std::unique_lock。

这里使用条件变量实现一个CountDownLatch：

class CountDownLatch {
   public:
    explicit CountDownLatch(uint32_t count) : count_(count);

    void CountDown() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        --count_;
        if (count_ == 0) {
            cv_.notify_all();
        }
    }

    void Await(uint32_t time_ms = 0) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        while (count_ > 0) {
            if (time_ms > 0) {
                cv_.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(time_ms));
            } else {
                cv_.wait(lock);
            }
        }
    }

    uint32_t GetCount() const {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
          return count_; 
    }

   private:
    std::condition_variable cv_;
    mutable std::mutex mutex_;
    uint32_t count_ = 0;
};

关于条件变量其实还涉及到通知丢失和虚假唤醒问题，由于不是本文的主题，这里暂不介绍，你们有须要能够留言。

std::future相关

c++11关于异步操做提供了future相关的类，主要有std::future、std::promise和std::packaged_task，std::future比std::thread高级些，std::future做为异步结果的传输通道，经过get()能够很方便的获取线程函数的返回值，std::promise用来包装一个值，将数据和future绑定起来，而std::packaged_task则用来包装一个调用对象，将函数和future绑定起来，方便异步调用。而std::future是不能够复制的，若是须要复制放到容器中可使用std::shared_future。

std::promise与std::future配合使用

#include <functional>
#include <future>
#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

void func(std::future<int>& fut) {
    int x = fut.get();
    cout << "value: " << x << endl;
}

int main() {
    std::promise<int> prom;
    std::future<int> fut = prom.get_future();
    std::thread t(func, std::ref(fut));
    prom.set_value(144);
    t.join();
    return 0;
}

std::packaged_task与std::future配合使用

#include <functional>
#include <future>
#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

int func(int in) {
    return in + 1;
}

int main() {
    std::packaged_task<int(int)> task(func);
    std::future<int> fut = task.get_future();
    std::thread(std::move(task), 5).detach();
    cout << "result " << fut.get() << endl;
    return 0;
}

更多关于future的使用能够看我以前写的关于线程池和定时器的文章。

三者之间的关系

std::future用于访问异步操做的结果，而std::promise和std::packaged_task在future高一层，它们内部都有一个future，promise包装的是一个值，packaged_task包装的是一个函数，当须要获取线程中的某个值，可使用std::promise，当须要获取线程函数返回值，可使用std::packaged_task。

async相关

async是比future，packaged_task，promise更高级的东西，它是基于任务的异步操做，经过async能够直接建立异步的任务，返回的结果会保存在future中，不须要像packaged_task和promise那么麻烦，关于线程操做应该优先使用async，看一段使用代码：

#include <functional>
#include <future>
#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

int func(int in) { return in + 1; }

int main() {
    auto res = std::async(func, 5);
    // res.wait();
    cout << res.get() << endl; // 阻塞直到函数返回
    return 0;
}

使用async异步执行函数是否是方便多啦。

async具体语法以下：

async(std::launch::async | std::launch::deferred, func, args...);

第一个参数是建立策略：

std::launch::async表示任务执行在另外一线程
std::launch::deferred表示延迟执行任务，调用get或者wait时才会执行，不会建立线程，惰性执行在当前线程。

若是不明确指定建立策略，以上两个都不是async的默认策略，而是未定义，它是一个基于任务的程序设计，内部有一个调度器(线程池)，会根据实际状况决定采用哪一种策略。

若从 std::async 得到的 std::future 未被移动或绑定到引用，则在完整表达式结尾， std::future的析构函数将阻塞直至异步计算完成，实际上至关于同步操做：

std::async(std::launch::async, []{ f(); }); // 临时量的析构函数等待 f()
std::async(std::launch::async, []{ g(); }); // f() 完成前不开始

注意：关于async启动策略这里网上和各类书籍介绍的五花八门，这里会以cppreference为主。

有时候咱们若是想真正执行异步操做能够对async进行封装，强制使用std::launch::async策略来调用async。

template <typename F, typename... Args>
inline auto ReallyAsync(F&& f, Args&&... params) {
    return std::async(std::launch::async, std::forward<F>(f), std::forward<Args>(params)...);
}

关于c++11关于并发的新特性就介绍到这里，你们有问题能够给我留言~

参考资料

https://blog.csdn.net/zhangzq...

https://zh.cppreference.com/w...

https://zhuanlan.zhihu.com/p/...

https://www.runoob.com/w3cnot...

https://zh.cppreference.com/w...

《深刻应用c++11:代码优化与工程级应用》

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