一、thread類(lèi)的介紹

在C++11之前，涉及到多線(xiàn)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(xiàn)程進(jìn)行支持了，使得C++在并行編程時(shí)不需要依賴(lài)第三方庫(kù)，**而且在原子操作中還引入了原子類(lèi)的概念。要使用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的線(xiàn)程，必須包含< thread >頭文件。

函數(shù)名	功能
thread()	構(gòu)造一個(gè)線(xiàn)程對(duì)象，沒(méi)有關(guān)聯(lián)任何線(xiàn)程函數(shù)，即沒(méi)有啟動(dòng)任何線(xiàn)程
thread(fn, args1, args2,…)	構(gòu)造一個(gè)線(xiàn)程對(duì)象，并關(guān)聯(lián)線(xiàn)程函數(shù)fn，args1，args2，…為線(xiàn)程函數(shù)的參數(shù)
get_id()	獲取線(xiàn)程id
jionable()	線(xiàn)程是否還在執(zhí)行，joinable代表的是一個(gè)正在執(zhí)行中的線(xiàn)程。
jion()	該函數(shù)調(diào)用后會(huì)阻塞住線(xiàn)程，當(dāng)該線(xiàn)程結(jié)束后，主線(xiàn)程繼續(xù)執(zhí)行
detach()	在創(chuàng)建線(xiàn)程對(duì)象后馬上調(diào)用，用于把被創(chuàng)建線(xiàn)程與線(xiàn)程對(duì)象分離開(kāi)，分離的線(xiàn)程變?yōu)楹笈_(tái)線(xiàn)程，創(chuàng)建的線(xiàn)程的"死活"就與主線(xiàn)程無(wú)關(guān)

注意：

1. 線(xiàn)程是操作系統(tǒng)中的一個(gè)概念，線(xiàn)程對(duì)象可以關(guān)聯(lián)一個(gè)線(xiàn)程，用來(lái)控制線(xiàn)程以及獲取線(xiàn)程的狀態(tài)。
2. 當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程對(duì)象后，沒(méi)有提供線(xiàn)程函數(shù)，該對(duì)象實(shí)際沒(méi)有對(duì)應(yīng)任何線(xiàn)程。

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

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

3. 當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程對(duì)象后，并且給線(xiàn)程關(guān)聯(lián)線(xiàn)程函數(shù)，該線(xiàn)程就被啟動(dòng)，與主線(xiàn)程一起運(yùn)行。線(xiàn)程函數(shù)一般情況下可按照以下三種方式提供：
   1.函數(shù)指針
   2.lambda表達(dá)式
   3.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(xiàn)程函數(shù)為函數(shù)指針thread t1(ThreadFunc, 10);// 線(xiàn)程函數(shù)為lambda表達(dá)式thread t2([] {cout << "Thread2" << endl; });// 線(xiàn)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(lèi)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(xiàn)程對(duì)象關(guān)聯(lián)線(xiàn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移給其他線(xiàn)程對(duì)象，轉(zhuǎn)移期間不意向線(xiàn)程的執(zhí)行。
5. 可以通過(guò)jionable()函數(shù)判斷線(xiàn)程是否是有效的，如果是以下任意情況，則線(xiàn)程無(wú)效。
   1.采用無(wú)參構(gòu)造函數(shù)構(gòu)造的線(xiàn)程對(duì)象
   2.線(xiàn)程對(duì)象的狀態(tài)已經(jīng)轉(zhuǎn)移給其他線(xiàn)程對(duì)象
   3.線(xiàn)程已經(jīng)調(diào)用jion或者detach結(jié)束

二、線(xiàn)程函數(shù)參數(shù)

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

void ThreadFunc1(int& x)
{x += 10;
}
void ThreadFunc2(int* x)
{*x += 10;
}
int main()
{int a = 10;// 在線(xiàn)程函數(shù)中對(duì)a修改，不會(huì)影響外部實(shí)參，因?yàn)?#xff1a;線(xiàn)程函數(shù)參數(shù)雖然是引用方式，但其實(shí)際引用的是線(xiàn)程棧中的拷貝/*thread t1(ThreadFunc1, a);t1.join();cout << a << endl;*/// 如果想要通過(guò)形參改變外部實(shí)參時(shí)，必須借助std::ref()函數(shù)thread t2(ThreadFunc1, std::ref(a));t2.join();cout << a << endl; 地址的拷貝thread t3(ThreadFunc2, &a);t3.join();cout << a << endl;return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果：

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

三、 原子性操作庫(kù)

多線(xiàn)程最主要的問(wèn)題是共享數(shù)據(jù)帶來(lái)的問(wèn)題(即線(xiàn)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)橹蛔x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(xiàn)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(xiàn)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。比如：

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
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;
}

運(yùn)行結(jié)果：

C++98中傳統(tǒng)的解決方式：可以對(duì)共享修改的數(shù)據(jù)可以加鎖保護(hù)。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
using namespace std;std::mutex m;
unsigned long sum = 0;
void fun(size_t num)
{for (size_t i = 0; i < num; ++i){m.lock();sum++;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;
}

運(yùn)行結(jié)果：

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(xiàn)程在對(duì)sum++時(shí)，其他線(xiàn)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(lèi)型，使得線(xiàn)程間數(shù)據(jù)的同步變得非常高效。

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

運(yùn)行結(jié)果：

在C++11中，程序員不需要對(duì)原子類(lèi)型變量進(jìn)行加鎖解鎖操作，線(xiàn)程能夠?qū)υ宇?lèi)型變量互斥的
訪問(wèn)。更為普遍的，程序員可以使用atomic類(lèi)模板，定義出需要的任意原子類(lèi)型

atmoic t; // 聲明一個(gè)類(lèi)型為T(mén)的原子類(lèi)型變量t

注意：原子類(lèi)型通常屬于"資源型"數(shù)據(jù)，多個(gè)線(xiàn)程只能訪問(wèn)單個(gè)原子類(lèi)型的拷貝，因此在C++11
中，原子類(lèi)型只能從其模板參數(shù)中進(jìn)行構(gòu)造，不允許原子類(lèi)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(lèi)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 <atomic>
int main()
{atomic<int> a1(0);//atomic<int> a2(a1); // 編譯失敗atomic<int> a2(0);//a2 = a1; // 編譯失敗return 0;
}

以下是原子類(lèi)型名稱(chēng)與之對(duì)應(yīng)的內(nèi)置類(lèi)型名稱(chēng)

四、lock_guard與unique_lock

在多線(xiàn)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(lèi)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。
比如：一個(gè)線(xiàn)程對(duì)變量number進(jìn)行加一100次，另外一個(gè)減一100次，每次操作加一或者減一之
后，輸出number的結(jié)果，要求：number最后的值為1。

#include <thread>
#include <mutex>
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;
}

上述代碼的缺陷：鎖控制不好時(shí)，可能會(huì)造成死鎖，最常見(jiàn)的比如在鎖中間代碼返回，或者在鎖
的范圍內(nèi)拋異常。因此：C++11采用RAII的方式對(duì)鎖進(jìn)行了封裝，即lock_guard和unique_lock。

4.1、mutex的種類(lèi)

在C++11中，Mutex總共包了四個(gè)互斥量的種類(lèi)：

1. std::mutex
C++11提供的最基本的互斥量，該類(lèi)的對(duì)象之間不能拷貝，也不能進(jìn)行移動(dòng)。mutex最常用
的三個(gè)函數(shù)：

函數(shù)名	函數(shù)功能
lock()	上鎖：鎖住互斥量
unlock()	解鎖：釋放對(duì)互斥量的所有權(quán)
try_lock()	嘗試鎖住互斥量，如果互斥量被其他線(xiàn)程占有，則當(dāng)前線(xiàn)程也不會(huì)被阻塞

注意，線(xiàn)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(xiàn)程將該互斥量鎖住，直到調(diào)用 unlock之前，
• 該線(xiàn)程一直擁有該鎖
• 如果當(dāng)前互斥量被其他線(xiàn)程鎖住，則當(dāng)前的調(diào)用線(xiàn)程被阻塞住
• 如果當(dāng)前互斥量被當(dāng)前調(diào)用線(xiàn)程鎖住，則會(huì)產(chǎn)生死鎖(deadlock)

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

2. std::recursive_mutex
其允許同一個(gè)線(xiàn)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，std::recursive_mutex 的特性和 std::mutex 大致相同。

3. std::timed_mutex
比 std::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(xiàn)程如果沒(méi)有獲得鎖則被阻塞住（與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(xiàn)程釋放了鎖，則該線(xiàn)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(xiàn)程如果沒(méi)有獲得鎖則被阻塞住，如果在此期間其他線(xiàn)程釋放了鎖，則該線(xiàn)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。

4. std::recursive_timed_mutex

4.2 lock_guard

std::lock_gurad 是 C++11 中定義的模板類(lèi)。定義如下：

template<class _Mutex>
class lock_guard
{
public:// 在構(gòu)造lock_gard時(shí)，_Mtx還沒(méi)有被上鎖explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx): _MyMutex(_Mtx){_MyMutex.lock();}// 在構(gòu)造lock_gard時(shí)，_Mtx已經(jīng)被上鎖，此處不需要再上鎖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;
};

通過(guò)上述代碼可以看到，lock_guard類(lèi)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(xiāo)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(hù)沒(méi)有辦法對(duì)該鎖進(jìn)行控制，因此C++11又提供了unique_lock。

4.3 unique_lock

與lock_gard類(lèi)似，unique_lock類(lèi)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(lèi)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(xiāo)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)