C++11多线程，锁与条件变量

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  • `线程库`
    • `1. thread类的简单介绍`
      • 1.1constructor构造函数
      • `1.2 线程函数参数`
      • `2. 原子性操作库(atomic)`
      • `3. lock_guard与unique_lock`
      • `3.1 mutex的种类`
      • `3.2 lock_guard`
      • `3.3 unique_lock`
      • `4. 条件变量的使用以及面试题`

线程库

1. thread类的简单介绍

官方文档链接

1.1constructor构造函数

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  1. 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。
  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。
#include <thread>
int main()
{std::thread t1;cout << t1.get_id() << endl;return 0;
}
  1. 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
#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()
{// 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();t2.join();t3.join();cout << "Main thread!" << endl;return 0;
}
  1. 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

面试题：并发与并行的区别？

  • 并发：并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，但并不意味着在同一时间点同时运行。在并发处理中，任务被分配到不同的时间点由处理器进行处理，宏观上看起来像是同时处理多个任务，但实际上在微观层面，CPU是在多个线程之间快速交替执行的。
  • 并行：并行则是指两个或多个事件在同一时刻发生，即在同一时间点任务一定是同时运行的。在并行处理中，每个任务被分配给不同的处理器独立完成，多个处理器可以同时处理多个线程任务。

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。

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解决方法：

  1. 将x与mtx的地址传过去，用指针接收；
  2. 第二种解决方案，用c++11提供的ref
#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);   //会报错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;while (1);return 0;
}

当传入的是ref(x)与ref(mtx)的时候，在pthread_create接收参数的时候，实际上推导出来是接受到的是实参的引用，中间就没有产生拷贝，所以解决了问题。
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  • 如果想要通过形参改变外部实参时，必须借助std::ref()函数
  • 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。

2. 原子性操作库(atomic)

Cheng.html" title=多线程>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：

int x = 0;   //全局变量   共享资源//不加锁是存在线程安全的问题
void Print(int n) {for (int i = 0; i < n; i++){x++;   //对共享资源进行修改}
}
int main()
{thread t1(Print, 100000);thread t2(Print, 200000);t1.join();t2.join();cout << x << endl;return 0;
}

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。

int x = 0;
mutex mtx;void Print(int n){mtx.lock();   //加锁for (int i = 0; i < n; i++){x++;}mtx.unlock();  //解锁
}
int main()
{thread t1(Print, 100000);thread t2(Print, 200000);t1.join();t2.join();cout << x << endl;return 0;
}

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。
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注意：需要使用以上原子操作变量时，必须添加头文件 #include <atomic>

#inlcude<iostream>
#include<thread>
#include<atomic>
using namespace std;atomic<int> x = 0;void Print(int n){for (int i = 0; i < n; i++){x++;}
}
int main()
{thread t1(Print, 100000);thread t2(Print, 200000);t1.join();t2.join();cout << x << endl;return 0;
}

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。

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 <atomic>
int main()
{atomic<int> a1(0);//atomic<int> a2(a1);   // 编译失败atomic<int> a2(0);//a2 = a1;               // 编译失败return 0;
}

3. lock_guard与unique_lock

在Cheng.html" title=多线程>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。

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。

3.1 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：
    在这里插入图片描述
    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 再次 锁住（这在大多数互斥量实现中是不可能的，因为标准互斥量不允许同一个线程多次锁定），则确实可能产生死锁。但是，对于 std::recursive_mutex 和 std::recursive_timed_mutex，同一个线程可以多次锁定互斥量而不会导致死锁，因为这些互斥量被设计为支持递归锁定。

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)，但是，对于 std::recursive_mutex 和 std::recursive_timed_mutex，同一个线程可以多次锁定互斥量而不会导致死锁，因为这些互斥量被设计为支持递归锁定。
  1. 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。

int x = 0;recursive_mutex mtx;void Print(int n){mtx.lock();for (int i = 0; i < n; i++){x++;}mtx.unlock();
}
int main()
{thread t1(Print, 100000);thread t2(Print, 200000);t1.join();t2.join();cout << x << endl;return 0;
}

recursive_mutex解决的问题

支持递归调用

  • 在递归函数或多层嵌套函数中，如果需要对同一个ChiSuo.html" title=互斥锁>互斥锁进行多次加锁和解锁操作，使用普通的ChiSuo.html" title=互斥锁>互斥锁（如std::mutex）可能会导致死锁或未定义行为，因为普通ChiSuo.html" title=互斥锁>互斥锁不允许同一个线程多次锁定。
  • recursive_mutex则允许同一个线程多次获取同一个锁而不会导致死锁，因为它内部维护了一个计数器，每次获取锁时计数器加1，释放锁时计数器减1，只有当计数器归零时锁才会真正释放。
  1. std::timed_mutex
    timed_mutex比 std::mutex 多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until() 。

try_lock_for()

  • 功能：尝试在给定的时间段内获取锁。
  • 参数：接受一个表示时间范围的std::chrono::duration对象。
  • 行为：
    • 如果在指定时间内锁被成功获取，则返回 true。
    • 如果在指定时间内锁没有被获取（即超时），则返回 false。
    • 在等待期间，如果其他线程释放了锁，则当前线程可能会获取该锁。

try_lock_until()

  • 功能：尝试在指定的时间点之前获取锁。
  • 参数：接受一个表示时间点的 std::chrono::time_point 对象。
  • 行为：
    • 如果在指定时间点之前锁被成功获取，则返回 true。
    • 如果在指定时间点到达时锁还没有被获取，则返回 false。
    • 与 try_lock_for() 类似，在等待期间，如果其他线程释放了锁，则当前线程可能会获取该锁。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <mutex>std::timed_mutex mtx;void try_lock_example() {auto timeout = std::chrono::milliseconds(1000); // 1秒超时// 尝试在1秒内获取锁if (mtx.try_lock_for(timeout)) {//.........//........ 模拟一些工作mtx.unlock();}else {//.........}
}
void try_lock_until_example() {auto now = std::chrono::steady_clock::now();auto timeout_point = now + std::chrono::milliseconds(1000); // 1秒后超时// 尝试在指定时间点之前获取锁if (mtx.try_lock_until(timeout_point)) {//........... 模拟一些工作mtx.unlock();}else {//.......   }
}int main() {std::thread t1(try_lock_example);std::thread t2(try_lock_until_example);t1.join();t2.join();return 0;
}
  1. std::recursive_timed_mutex
    了解。

3.2 lock_guard

lock_guard的模拟实现

//lock_guard模拟实现
template<class Lock>
class LockGruad 
{
public:LockGruad(Lock& lk):_lk(lk){_lk.lock();}~LockGruad(){_lk.unlock();}
private:Lock _lk;
};

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。

可以用局部域去控制锁的生命周期；+{ }即可
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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。

3.3 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)。

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void Print(int n){unique_lock<mutex> lk(mtx);for (int i = 0; i < n; i++){lk.unlock();//.....//假设这里面有部分代码是不需要加锁的，如果使用的是lock_guard就不能很好的控制//....lk.lock();x++;}
}
int main()
{thread t1(Print, 100000);thread t2(Print, 200000);t1.join();t2.join();cout << x << endl;return 0;
}

4. 条件变量的使用以及面试题

condition_variable的使用

  1. 构造
    在这里插入图片描述
  2. 成员函数的使用

wait

  • 功能：等待条件变量被通知。
  • 用法：通常与 std::unique_lockstd::mutex 或 std::lock_guardstd::mutex 一起使用，以在等待期间释放ChiSuo.html" title=互斥锁>互斥锁。
  • 示例：cv.wait(lck); 其中 cv 是条件变量，lck 是锁对象。

wait_for

  • 功能：等待条件变量被通知或直到指定的超时时间到达。
  • 用法：接受一个表示超时时间的 std::chrono::duration 对象。
  • 返回值：如果因为超时而返回，则返回一个 std::cv_status 枚举值，指示等待是否因为超时（std::cv_status::timeout）或其他原因（如被通知）而结束。
  • 示例：std::cv_status status = cv.wait_for(lck, std::chrono::seconds(1));

wait_until

  • 功能：等待条件变量被通知或直到指定的时间点到达。
  • 用法：接受一个表示绝对时间点的 std::chrono::time_point 对象。
  • 返回值：与 wait_for 类似，返回一个 std::cv_status 枚举值。
  • 示例：auto timeout = std::chrono::steady_clock::now() + std::chrono::seconds(1); std::cv_status status = cv.wait_until(lck, timeout);

notify_one

  • 功能：通知一个等待该条件变量的线程。
  • 用法：如果有多个线程在等待，则选择其中一个进行通知（具体选择哪个线程是未定义的）。
  • 示例：cv.notify_one();

notify_all

  • 功能：通知所有等待该条件变量的线程。
  • 用法：唤醒所有等待该条件变量的线程。
  • 示例：cv.notify_all();

面试题目：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。

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<atomic>
#include <condition_variable>using namespace std;void two_thread_print()
{std::mutex mtx;condition_variable c;int n = 100;bool flag = true;thread t1([&]() {int i = 0;while (i < n){unique_lock<mutex> lock(mtx);c.wait(lock, [&]()->bool {return flag; });cout << i << endl;flag = false;i += 2; // 偶数c.notify_one();}});thread t2([&]() {int j = 1;while (j < n){unique_lock<mutex> lock(mtx);c.wait(lock, [&]()->bool {return !flag; });cout << j << endl;j += 2; // 奇数flag = true;c.notify_one();}});t1.join();t2.join();
}
int main()
{two_thread_print();return 0;
}

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