C++多线程

时间：2022-10-07 01:28:16

什么是C++多线程？

线程

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，进程包含一个或者多个线程。进程可以理解为完成一件事的完整解决方案，而线程可以理解为这个解决方案中的的一个步骤，可能这个解决方案就这只有一个步骤，也可能这个解决方案有多个步骤。

多线程

多线程是实现并发（并行）的手段，并发（并行）即多个线程同时执行，一般而言，多线程就是把执行一件事情的完整步骤拆分为多个子步骤，然后使得这多个步骤同时执行。

C++多线程

（简单情况下）C++多线程使用多个函数实现各自功能，然后将不同函数生成不同线程，并同时执行这些线程（不同线程可能存在一定程度的执行先后顺序，但总体上可以看做同时执行）。
上述概念很容易因表述不准确而造成误解，这里没有深究线程与进程，并发与并行的概念，以上仅为一种便于理解的表述，如果有任何问题还请指正，若有更好的表述，也欢迎留言分享。

C++多线程基础知识

创建线程

首先要引入头文件#include(thread)，该头文件中定义了thread类，创建一个线程即实例化一个该类的对象，实例化对象时候调用的构造函数需要传递一个参数，该参数就是函数名，thread th1(proc1)；如果传递进去的函数本身需要传递参数，实例化对象时将这些参数按序写到函数名后面，thread th1(proc1,a,b);只要创建了线程对象（传递“函数名/可调用对象”作为参数的情况下），线程就开始执行（std::thread 有一个无参构造函数重载的版本，不会创建底层的线程）。
有两种线程阻塞方法，同步join()与分离detach()，阻塞线程的目的是调节各线程的先后执行顺序，这里重点讲join()方法，不推荐使用detach()，detach()使用不当会发生引用对象失效的错误。当线程启动后，一定要在和线程相关联的thread对象销毁前，对线程运用join()或者detach()。
join()：当前线程暂停, 等待指定的线程执行结束后, 当前线程再继续。th1.join()，即该语句所在的线程（该语句写在main（）函数里面，即主线程内部）暂停，等待指定线程（指定线程为th1）执行结束后，主线程再继续执行。

detach()：含义是主线程和子线程相互分离，互不干扰，即主线程不会管子线程是否结束

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
void proc(int a)
{
    cout << "我是子线程,传入参数为" << a << endl;
    cout << "子线程中显示子线程id为" << this_thread::get_id()<< endl;
}
int main()
{
    cout << "我是主线程" << endl;
    int a = 9;
    thread th2(proc,a);//第一个参数为函数名，第二个参数为该函数的第一个参数，如果该函数接收多个参数就依次写在后面。此时线程开始执行。
    cout << "主线程中显示子线程id为" << th2.get_id() << endl;
    th2.join()；//此时主线程被阻塞直至子线程执行结束。
    return 0;
}

互斥量使用

程序实例化mutex对象m,线程调用成员函数m.lock()会发生下面 2种情况：

  1. 如果该互斥量当前未上锁，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。
  2. 如果该互斥量当前被锁住，则调用线程被阻塞,直至该互斥量被解锁。

互斥量使用首先需要#include<mutex>

lock()与unlock()

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
using namespace std;
mutex m;//实例化m对象，不要理解为定义变量
void proc1(int a)
{
    m.lock();
    cout << "proc1函数正在改写a" << endl;
    cout << "原始a为" << a << endl;
    cout << "现在a为" << a + 2 << endl;
    m.unlock();
}

void proc2(int a)
{
    m.lock();
    cout << "proc2函数正在改写a" << endl;
    cout << "原始a为" << a << endl;
    cout << "现在a为" << a + 1 << endl;
    m.unlock();
}
int main()
{
    int a = 0;
    thread proc1(proc1, a);
    thread proc2(proc2, a);
    proc1.join();
    proc2.join();
    return 0;
}

不推荐实直接去调用成员函数lock()，因为如果忘记unlock()，将导致锁无法释放，使用lock_guard或者unique_lock能避免忘记解锁这种问题。

lock_guard()

其原理是：声明一个局部的lock_guard对象，在其构造函数中进行加锁，在其析构函数中进行解锁。最终的结果就是：创建即加锁，作用域结束自动解锁。从而使用lock_guard()就可以替代lock()与unlock()。
通过设定作用域，使得lock_guard在合适的地方被析构（在互斥量锁定到互斥量解锁之间的代码叫做临界区（需要互斥访问共享资源的那段代码称为临界区），临界区范围应该尽可能的小，即lock互斥量后应该尽早unlock），通过使用{}来调整作用域范围，可使得互斥量m在合适的地方被解锁

编译器容易对{}进行优化，建议使用do{}while(false)防止优化

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
using namespace std;
mutex m;//实例化m对象，不要理解为定义变量
void proc1(int a)
{
    lock_guard<mutex> g1(m);//用此语句替换了m.lock()；lock_guard传入一个参数时，该参数为互斥量，此时调用了lock_guard的构造函数，申请锁定m
    cout << "proc1函数正在改写a" << endl;
    cout << "原始a为" << a << endl;
    cout << "现在a为" << a + 2 << endl;
}//此时不需要写m.unlock(),g1出了作用域被释放，自动调用析构函数，于是m被解锁

void proc2(int a)
{
    {
        lock_guard<mutex> g2(m);
        cout << "proc2函数正在改写a" << endl;
        cout << "原始a为" << a << endl;
        cout << "现在a为" << a + 1 << endl;
    }//通过使用{}来调整作用域范围，可使得m在合适的地方被解锁
    cout << "作用域外的内容3" << endl;
    cout << "作用域外的内容4" << endl;
    cout << "作用域外的内容5" << endl;
}
int main()
{
    int a = 0;
    thread proc1(proc1, a);
    thread proc2(proc2, a);
    proc1.join();
    proc2.join();
    return 0;
}

lock_gurad也可以传入两个参数，第一个参数为adopt_lock标识时，表示不再构造函数中不再进行互斥量锁定，因此此时需要提前手动锁定。

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
using namespace std;
mutex m;//实例化m对象，不要理解为定义变量
void proc1(int a)
{
    m.lock();//手动锁定
    lock_guard<mutex> g1(m,adopt_lock);
    cout << "proc1函数正在改写a" << endl;
    cout << "原始a为" << a << endl;
    cout << "现在a为" << a + 2 << endl;
}//自动解锁

void proc2(int a)
{
    lock_guard<mutex> g2(m);//自动锁定
    cout << "proc2函数正在改写a" << endl;
    cout << "原始a为" << a << endl;
    cout << "现在a为" << a + 1 << endl;
}//自动解锁
int main()
{
    int a = 0;
    thread proc1(proc1, a);
    thread proc2(proc2, a);
    proc1.join();
    proc2.join();
    return 0;
}

unique_lock

unique_lock类似于lock_guard,只是unique_lock用法更加丰富，同时支持lock_guard()的原有功能。
使用lock_guard后不能手动lock()与手动unlock();使用unique_lock后可以手动lock()与手动unlock();
unique_lock的第二个参数，除了可以是adopt_lock,还可以是try_to_lock与defer_lock;
try_to_lock:尝试去锁定，得保证锁处于unlock的状态,然后尝试现在能不能获得锁；尝试用mutx的lock()去锁定这个mutex，但如果没有锁定成功，会立即返回，不会阻塞在那里
defer_lock:初始化了一个没有加锁的mutex;

lock_guard unique_lock
手动lock与手动unlock 不支持 支持
参数 支持adopt_lock 支持adopt_lock/try_to_lock/defer_lock 
#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
using namespace std;
mutex m;
void proc1(int a)
{
    unique_lock<mutex> g1(m, defer_lock);//始化了一个没有加锁的mutex
    cout << "不拉不拉不拉" << endl;
    g1.lock();//手动加锁，注意，不是m.lock();注意，不是m.lock();注意，不是m.lock()
    cout << "proc1函数正在改写a" << endl;
    cout << "原始a为" << a << endl;
    cout << "现在a为" << a + 2 << endl;
    g1.unlock();//临时解锁
    cout << "不拉不拉不拉"  << endl;
    g1.lock();
    cout << "不拉不拉不拉" << endl;
}//自动解锁

void proc2(int a)
{
    unique_lock<mutex> g2(m,try_to_lock);//尝试加锁，但如果没有锁定成功，会立即返回，不会阻塞在那里；
    cout << "proc2函数正在改写a" << endl;
    cout << "原始a为" << a << endl;
    cout << "现在a为" << a + 1 << endl;
}//自动解锁
int main()
{
    int a = 0;
    thread proc1(proc1, a);
    thread proc2(proc2, a);
    proc1.join();
    proc2.join();
    return 0;
}

unique_lock所有权的转移

mutex m;
{  
    unique_lock<mutex> g2(m,defer_lock);
    unique_lock<mutex> g3(move(g2));//所有权转移，此时由g3来管理互斥量m
    g3.lock();
    g3.unlock();
    g3.lock();
}

condition_variable

需要#include<condition_variable>

  • wait(locker):在线程被阻塞时，该函数会自动调用 locker.unlock() 释放锁，使得其他被阻塞在锁竞争上的线程得以继续执行。另外，一旦当前线程获得通知(通常是另外某个线程调用 notify_* 唤醒了当前线程)，wait() 函数此时再自动调用 locker.lock()。
  • notify_all():随机唤醒一个等待的线程
  • notify_once():唤醒所有等待的线程
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