一、線程庫(kù)的介紹

在C++11之前，涉及到多線程問(wèn)題，都是和平臺(tái)相關(guān)的，比如windows和linux下各有自己的接口，這使得代碼的可移植性比較差。C++11中最重要的特性就是對(duì)線程進(jìn)行支持了，使得C++在并行編程時(shí)不需要依賴第三方庫(kù)，而且在原子操作中還引入了原子類的概念。要使用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的線程，必須包含< thread >頭文件。

特點(diǎn)：跨平臺(tái)、面向?qū)ο蠓庋b的類（每個(gè)線程是個(gè)類對(duì)象）。

其實(shí)現(xiàn)原理是封裝庫(kù)時(shí)使用了條件編譯，也就是說(shuō)他的底層還是分別調(diào)用了不同平臺(tái)的線程API。

1.1. 使用時(shí)的注意點(diǎn)

線程是操作系統(tǒng)中的一個(gè)概念，線程對(duì)象可以關(guān)聯(lián)一個(gè)線程，用來(lái)控制線程以及獲取線程的狀態(tài)

當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)線程對(duì)象后，沒(méi)有提供線程函數(shù)，該對(duì)象實(shí)際沒(méi)有對(duì)應(yīng)任何線程。

#include <thread>
int main()
{
 std::thread t1;
 cout << t1.get_id() << endl;//0
 return 0; }

get_id()的返回值類型為id類型，id類型實(shí)際為std::thread命名空間下封裝的一個(gè)類，該類中包含了一個(gè)結(jié)構(gòu)體：

// vs下查看
typedef struct
{ /* thread identifier for Win32 */
 void *_Hnd; /* Win32 HANDLE */
 unsigned int _Id;
} _Thrd_imp_t;

當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)線程對(duì)象后，并且給線程關(guān)聯(lián)線程函數(shù)，該線程就被啟動(dòng)，與主線程一起運(yùn)行。線程函數(shù)一般情況下可按照以下三種方式提供：函數(shù)指針、lambda表達(dá)式、函數(shù)對(duì)象

#include <iostream>
using namespace std;
#include <thread>
void ThreadFunc(int a) {
 cout << "Thread1" << a << endl; }
class TF
{
public:
 void operator()()
 {
 cout << "Thread3" << endl;
 }
};
int main()
 // 線程函數(shù)為函數(shù)指針
 thread t1(ThreadFunc, 10);
 
 // 線程函數(shù)為lambda表達(dá)式
 thread t2([]{cout << "Thread2" << endl; });
 // 線程函數(shù)為函數(shù)對(duì)象
 TF tf;
 thread t3(tf);
 t1.join();
 t2.join();
 t3.join();
 cout << "Main thread!" << endl;
 return 0; }

4.thread類是防拷貝的，不允許拷貝構(gòu)造以及賦值，但是可以移動(dòng)構(gòu)造和移動(dòng)賦值，即將一個(gè)線程對(duì)象關(guān)聯(lián)線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移給其他線程對(duì)象，轉(zhuǎn)移期間不意向線程的執(zhí)行

5.可以通過(guò)jionable()函數(shù)判斷線程是否是有效的，如果是以下任意情況，則線程無(wú)效：

• 采用無(wú)參構(gòu)造函數(shù)構(gòu)造的線程對(duì)象(沒(méi)有提供線程函數(shù)，即這個(gè)線程本身就是無(wú)效的)
• 線程對(duì)象的狀態(tài)已經(jīng)轉(zhuǎn)移給其他線程對(duì)象(資源被轉(zhuǎn)移)
• 線程已經(jīng)調(diào)用jion或者detach結(jié)束(線程已結(jié)束，或者已經(jīng)分離)

1.2. 線程函數(shù)參數(shù)

線程函數(shù)的參數(shù)是以值拷貝的方式拷貝到線程?？臻g中的，因此：即使線程參數(shù)為引用類型，在線程中修改后也不能修改外部實(shí)參，因?yàn)槠鋵?shí)際引用的是線程棧中的拷貝，而不是外部實(shí)參。

注意：如果是類成員函數(shù)作為線程參數(shù)時(shí)，必須將this作為線程函數(shù)參數(shù)

1.3. join與detach

啟動(dòng)了一個(gè)線程后，當(dāng)這個(gè)線程結(jié)束的時(shí)候，如何去回收線程所使用的資源呢？thread庫(kù)給我們兩種選擇：

join()方式
join()：主線程被阻塞，當(dāng)新線程終止時(shí)，join()會(huì)清理相關(guān)的線程資源，然后返回，主線程再繼續(xù)向下執(zhí)行，然后銷毀線程對(duì)象。由于join()清理了線程的相關(guān)資源，thread對(duì)象與已銷毀的線程就沒(méi)有關(guān)系了，因此一個(gè)線程對(duì)象只能使用一次join()，否則程序會(huì)崩潰。
采用jion()方式結(jié)束線程時(shí)，jion()的調(diào)用位置非常關(guān)鍵。為了避免該問(wèn)題，可以采用RAII的方式對(duì)線程對(duì)象進(jìn)行封裝，RAII ：利用對(duì)象聲明周期來(lái)管理線程資源，保證線程資源正常銷毀，資源獲取立即初始化，在構(gòu)造函數(shù)中初始化資源，在析構(gòu)函數(shù)中銷毀資源。 比如：

#include <thread>
class mythread
{
public:
 explicit mythread(std::thread &t) :m_t(t){}
 ~mythread()
 {
 if (m_t.joinable())//判斷線程是否還在
 m_t.join();
 }
 mythread(mythread const&)=delete;
 mythread& operator=(const mythread &)=delete;
private:
 std::thread &m_t;
};
void ThreadFunc() { cout << "ThreadFunc()" << endl; }
bool DoSomething() { return false; }
int main()
{
 thread t(ThreadFunc);
 mythread q(t);
 if (DoSomething())
 return -1;
 return 0; 
}

detach()方式
detach()：該函數(shù)被調(diào)用后，新線程與線程對(duì)象分離，不再被線程對(duì)象所表達(dá)，就不能通過(guò)線程對(duì)象控制線程了，新線程會(huì)在后臺(tái)運(yùn)行，其所有權(quán)和控制權(quán)將會(huì)交給c++運(yùn)行庫(kù)。同時(shí)，C++運(yùn)行庫(kù)保證，當(dāng)線程退出時(shí)，其相關(guān)資源的能夠正確的回收。

注意：線程對(duì)象銷毀前，要么以jion()的方式等待線程結(jié)束，要么以detach()的方式將線程與線程對(duì)象分離。

二、原子性操作庫(kù)

多線程最主要的問(wèn)題是共享數(shù)據(jù)帶來(lái)的問(wèn)題(即線程安全)。如果共享數(shù)據(jù)都是只讀的，那么沒(méi)問(wèn)題，因?yàn)?strong>只讀操作不會(huì)影響到數(shù)據(jù)，更不會(huì)涉及對(duì)數(shù)據(jù)的修改，所以所有線程都會(huì)獲得同樣的數(shù)據(jù)。但是，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)線程要修改共享數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很多潛在的麻煩。

2.1. atomic

雖然加鎖可以解決，但是加鎖有一個(gè)缺陷就是：只要一個(gè)線程在對(duì)sum++時(shí)，其他線程就會(huì)被阻塞，會(huì)影響程序運(yùn)行的效率，而且鎖如果控制不好，還容易造成死鎖。
因此C++11中引入了原子操作。所謂原子操作：即不可被中斷的一個(gè)或一系列操作，C++11引入的原子操作類型，使得線程間數(shù)據(jù)的同步變得非常高效。

注意：原子類型通常屬于"資源型"數(shù)據(jù)，多個(gè)線程只能訪問(wèn)單個(gè)原子類型的拷貝，因此在C++11中，原子類型只能從其模板參數(shù)中進(jìn)行構(gòu)造，不允許原子類型進(jìn)行拷貝構(gòu)造、移動(dòng)構(gòu)造以及operator=等，為了防止意外，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)已經(jīng)將atmoic模板類中的拷貝構(gòu)造、移動(dòng)構(gòu)造、賦值運(yùn)算符重載默認(rèn)刪除掉了。

#include<thread>
#include<atomic>
atomic<int>x = 0;
void Add(int n)
{

	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		x++;
	}
}
int main()
	thread t1(Add, 10000);
	thread t2(Add, 10000);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << x << endl;//20000
	return 0;

2.2. 鎖

在多線程環(huán)境下，如果想要保證某個(gè)變量的安全性，只要將其設(shè)置成對(duì)應(yīng)的原子類型即可，即高效又不容易出現(xiàn)死鎖問(wèn)題。但是有些情況下，我們可能需要保證一段代碼的安全性，那么就只能通過(guò)鎖的方式來(lái)進(jìn)行控制。

1.lock、unlock:

線程函數(shù)調(diào)用lock()時(shí)，可能會(huì)發(fā)生以下三種情況：

• 如果該互斥量當(dāng)前沒(méi)有被鎖住，則調(diào)用線程將該互斥量鎖住，直到調(diào)用 unlock之前，該線程一直擁有該鎖。
• 如果當(dāng)前互斥量被其他線程鎖住，則當(dāng)前的調(diào)用線程被阻塞住。
• 如果當(dāng)前互斥量被當(dāng)前調(diào)用線程鎖住，則會(huì)產(chǎn)生死鎖(同一線程，不可以連續(xù)調(diào)用兩次鎖)。

線程函數(shù)調(diào)用try_lock()時(shí)，可能會(huì)發(fā)生以下三種情況：

• 如果當(dāng)前互斥量沒(méi)有被其他線程占有，則該線程鎖住互斥量，直到該線程調(diào)用 unlock 釋放互斥量。
• 如果當(dāng)前互斥量被其他線程鎖住，則當(dāng)前調(diào)用線程返回 false，而并不會(huì)被阻塞掉(非阻塞式)。
• 如果當(dāng)前互斥量被當(dāng)前調(diào)用線程鎖住，則會(huì)產(chǎn)生死鎖。

2.recursive_mutex:
允許同一個(gè)線程對(duì)互斥量多次上鎖（即遞歸上鎖），來(lái)獲得對(duì)互斥量對(duì)象的多層所有權(quán)，釋放互斥量時(shí)需要調(diào)用與該鎖層次深度相同次數(shù)的 unlock()，除此之外，recursive_mutex 的特性和mutex 大致相同。

3.timed_mutex:
比 mutex 多了兩個(gè)成員函數(shù)，try_lock_for()，try_lock_until()

try_lock_for()
接受一個(gè)時(shí)間范圍，表示在這一段時(shí)間范圍之內(nèi)線程如果沒(méi)有獲得鎖則被阻塞?。ㄅc std::mutex的 try_lock() 不同，try_lock 如果被調(diào)用時(shí)沒(méi)有獲得鎖則直接返回 false），如果在此期間其他線程釋放了鎖，則該線程可以獲得對(duì)互斥量的鎖，如果超時(shí)（即在指定時(shí)間內(nèi)還是沒(méi)有獲得鎖），則返回 false。

try_lock_until()
接受一個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為參數(shù)，在指定時(shí)間點(diǎn)未到來(lái)之前線程如果沒(méi)有獲得鎖則被阻塞住，如果在此期間其他線程釋放了鎖，則該線程可以獲得對(duì)互斥量的鎖，如果超時(shí)（即在指定時(shí)間內(nèi)還是沒(méi)有獲得鎖），則返回 false。

int sum = 0;

timed_mutex Lock;
chrono::milliseconds timeout(100);//100毫秒
void func(int number)
{
	for (int i = 0; i < number; i++)
	{
		
		//Lock.try_lock_for(timeout);//接收一個(gè)時(shí)間范圍
		Lock.try_lock_until(chrono::steady_clock::now() + timeout);//接收一個(gè)時(shí)間點(diǎn)
		sum++;
		Lock.unlock();
	}
}

4.recursive_timed_mutex
是recursive_mutex、timed_mutex兩種鎖的結(jié)合。

5.lock_guard(守衛(wèi)鎖):
加鎖和解鎖的過(guò)程，通過(guò)類的構(gòu)造和析構(gòu)來(lái)自動(dòng)控制加鎖和釋放鎖(RAII思想)

template<class _Mutex>
class lock_guard
{
public:

	// 構(gòu)造函數(shù)加鎖
	explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx)
		: _MyMutex(_Mtx)
	{
		_MyMutex.lock();
	}
	//通過(guò)析構(gòu)函數(shù)釋放鎖
	~lock_guard() _NOEXCEPT
		_MyMutex.unlock();
	//防拷貝和防賦值
	lock_guard(const lock_guard&) = delete;
	lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
	_Mutex& _MyMutex;
};

int sum = 0;
mutex Lock;
void func(int number)
{
	for (int i = 0; i < number; i++)
	{
		lock_guard<mutex> lg(Lock);
		sum++;
	}
}

lock_guard類模板主要是通過(guò)RAII的方式，對(duì)其管理的互斥量進(jìn)行了封裝，在需要
加鎖的地方，只需要用上述介紹的任意互斥體實(shí)例化一個(gè)lock_guard，調(diào)用構(gòu)造函數(shù)成功上鎖，出作用域前，lock_guard對(duì)象要被銷毀，調(diào)用析構(gòu)函數(shù)自動(dòng)解鎖，可以有效避免死鎖問(wèn)題。
lock_guard的缺陷：太單一，用戶沒(méi)有辦法對(duì)該鎖進(jìn)行控制，因此C++11又提供了unique_lock。

6.unique_lock

與lock_gard類似，unique_lock類模板也是采用RAII的方式對(duì)鎖進(jìn)行了封裝，并且也是以獨(dú)占所有權(quán)的方式管理mutex對(duì)象的上鎖和解鎖操作，即其對(duì)象之間不能發(fā)生拷貝。在構(gòu)造(或移動(dòng)(move)賦值)時(shí)，unique_lock 對(duì)象需要傳遞一個(gè) Mutex 對(duì)象作為它的參數(shù)，新創(chuàng)建的 unique_lock 對(duì)象負(fù)責(zé)傳入的 Mutex對(duì)象的上鎖和解鎖操作。使用以上類型互斥量實(shí)例化unique_lock的對(duì)象時(shí)，自動(dòng)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)上鎖，unique_lock對(duì)象銷毀時(shí)自動(dòng)調(diào)用析構(gòu)函數(shù)解鎖，可以很方便的防止死鎖問(wèn)題。 與lock_guard不同的是，unique_lock更加的靈活，提供了更多的成員函數(shù)：

• 上鎖/解鎖操作：lock、try_lock、try_lock_for、try_lock_until和unlock
• 修改操作：移動(dòng)賦值、交換(swap：與另一個(gè)unique_lock對(duì)象互換所管理的互斥量所有權(quán))、釋放(release：返回它所管理的互斥量對(duì)象的指針，并釋放所有權(quán))
• 獲取屬性：owns_lock(返回當(dāng)前對(duì)象是否上了鎖)、operator bool()(與owns_lock()的功能相同)、mutex(返回當(dāng)前unique_lock所管理的互斥量的指針)。

三、使用lambda表達(dá)式創(chuàng)建多個(gè)線程

#include<iostream>
#include<thread>
#include<atomic>
#include<vector>
using namespace std;
int main()
{

	atomic<int>x = 0;
	//m個(gè)線程對(duì)x加n次
	int m, n;
	cin >> m >> n;
	vector<thread>vthreads;
	for (int i = 0; i < m; i++)
	{
		vthreads.push_back(thread([&x](int count) {
			for (int i = 0; i < count; i++)
			{
				x++;
			}
			}, n));
	}
	for (auto& t : vthreads)
		cout << t.get_id() <<".join()" << endl;
		t.join();
	cout << x << endl;
	return 0;
}

四、條件變量

需要注意的是，傳入wait的鎖不能是lock_guard，這是因?yàn)閘ock_guard沒(méi)有解鎖接口

喚醒：

Notify one -> 喚醒一個(gè)
notify_all -> 喚醒一批

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

int main()
{
	int n = 20;
	mutex mtx1,mtx2;
	unique_lock<mutex> t;
	condition_variable cv1,cv2;
	//使用兩個(gè)線程打印0-n的數(shù)，一個(gè)打印奇數(shù)，一個(gè)打印偶數(shù)
	thread t1([&]() 
		{
			for (int i = 0; i < n; i+=2)
			{
			
				cout << this_thread::get_id() << ":" << i << endl;
				cv2.notify_one();//打印偶數(shù)以后通知t2
				unique_lock<mutex> lock(mtx1);
				cv1.wait(lock);
			}
		});
	thread t2([&]() 
		{
			for (int i = 1; i < n; i+=2)
			{
				unique_lock<mutex> lock(mtx2);
				cv2.wait(lock);
				cout << this_thread::get_id() << ":" << i << endl;
				cv1.notify_one();//t2打印奇數(shù)以后，通知t1
			}
		});
	t1.join();
	t2.join();
	return 0;
}

到此這篇關(guān)于詳解C++11中的線程庫(kù)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++11線程庫(kù)內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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