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C++学习笔记(多线程)

Multithreading

  • 1、线程的基本操作
    • 1.1、创建线程
    • 1.2、等待线程和分离线程
    • 1.3、获取线程id
  • 2、互斥锁
  • 3、条件变量
  • 4、例程

1、线程的基本操作

从C++11开始推出关于多线程的库和函数,相比于Linux所配套的资源,C++11提供的函数更加容易理解和操作,对于跨平台编程更有优势。

1.1、创建线程

导入线程库,创建一个新线程,让线程执行某个函数。

#include <thread>using namespace std; void test_function()
{cout << "hello, i am a subthread." << endl;
}int main()
{thread user_thread(test_function);user_thread.join();return 0;
}

可以看出,创建一个线程的时候需要一个函数名(函数地址)作为初始化参数。那么我们使用lambda函数也是可以的。

    thread user_thread([]{cout << "i am a lambda function." <<endl;});user_thread.join();

用类似于函数指针的function也是可以的。

    function<void()> f = []{cout << "function test..." << endl;};thread user_thread(f);user_thread.join();

1.2、等待线程和分离线程

user_thread.join()是为让主线程阻塞等待user_thread这个线程执行完毕。如果使用user_thread.detach()那就是让子线程自己在后台执行。
我在打印"function test…"之前延时一秒,就可以清楚的看出两者的区别了。

int main() 
{ function<void()> f = []{this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));cout << "function test..." << endl;};thread user_thread(f);user_thread.detach(); 		//user_thread.join();return 0; 
}

1.3、获取线程id

每一个线程都有独一无二的id,以便于用户辨别。

std::this_thread::get_id();

2、互斥锁

互斥锁(mutex:Mutual Exclusion Object)是用于确保数据一致性和解决资源竞争的一种方法。被互斥锁锁住的资源,其它线程将无法访问。值得注意的是,这里锁住的并不是代码块,而是资源,即变量,数组之类的东西。
上锁和解锁是配套的操作,否则将导致某一资源永远无法被访问。

#include <iostream>
#include <thread> 
#include <mutex>using namespace std; int temp = 0;
mutex mu;void thread_1()
{mu.lock();temp++;cout << this_thread::get_id() << " " << temp << endl;mu.unlock();
}void thread_2()
{mu.lock();temp++;cout << this_thread::get_id() << " " << temp << endl;mu.unlock();
}int main() 
{ thread thread1(thread_1);thread thread2(thread_2);thread1.join();thread2.join();system("pause");return 0; 
}

其实像这样裸照上锁解锁还是比较少见的,更多的是利用uniuqe_locker这个类来上锁。因为使用这个类提供了需要方法,在离开作用域的时候还会自动解锁,并且支持和条件变量配套使。

void thread_1()
{unique_lock<mutex> locker(mu);temp++;cout << this_thread::get_id() << " " << temp << endl;//不必再解锁了。
}

unique_lock这个类在构造函数中执行上锁操作,在析构函数中执行解锁操作。但它也支持手动上锁和解锁。上锁的方式也有好几种,我们不妨都看一下。
首先要求实例化的时候不要自动上锁。

unique_lock<mutex> locker(mu, std::defer_lock);
  • locker.lock():默认模式,阻塞式上锁。
  • locker.try_lock():尝试获取资源状态,如果被已经被锁住,则返回true,反之返回false。如果不加判断的使用该方法,则可能导致上锁失败。
  • locker.try_lock_for():输入参数是滞留时间,指定时间该资源还是无法访问则返回false。
  • locker.try_lock_until():输入参数是目标时间,目标时间内还是无法访问该资源则返回false。

给个例子简单看看怎么用吧。

void thread_1()
{unique_lock<mutex> locker(mu, defer_lock);//等待一秒钟,如果还无法访问资源则离开if(locker.try_lock_for(chrono::seconds(1))){temp++;cout << this_thread::get_id() << " " << temp << endl;}
}

3、条件变量

条件变量(conditional variable)主要用于协调多线程,经常和互斥锁一起使用。其设有通知机制,分为单个通(notify_one)知和全部通知(notify_all)两种模式,前者通知任意一个线程,后者通知所有线程。

#include <mutex>
#include <condition_variable>
//定义一个条件变量
condition_variable cond;
//定义一个互斥锁
mutex mtu;

定义好条件变量和互斥锁之后,线程就等待该条件变量被唤醒即可。

void thread_test()
{unique_lock<mutex> locker(mtu);cond.wait(locker);
}int main()
{thread myThread(thread_test);//延迟一下,以便测试条件变量的作用this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));//notify_one是通知任意一个线程,notify_all是通知所有线程cond.notify_one();myThread.join();return 0;
}

如果缺乏互斥锁,那就有可能出现竞争等情况。比如该条件变量其实只唤醒了一次,但两个线程却争着被唤醒,以至于两个线程同时被唤醒。
条件变量等待通知(唤醒)的方式也有三种,类比互斥锁的那几种锁方式,便知道如何使用了。这里不再赘述。

  • wait():阻塞式等待。
  • wait_for():输入参数中有一个滞留时间,滞留时间到达之后即便还没有接到通知也会继续执行下去。
  • wait_until():输入参数中有一个目标时间,同理,目标时间到达之后即便还没有接到通知也会继续执行下去。

这里有个点需要知道,如果再通知的那一刻,所有线程都处于忙碌状态,那么该通知就会被忽略。

void thread_test_2()
{unique_lock<mutex> locker(mtu);if(cond.wait_for(locker, chrono::seconds(1)) == cv_status::timeout)cout << "time out" << endl;		//会在1s之后执行这个打印语句elsecout << "i am thread test 2 !" << endl;
}
int main()
{thread myThread2(thread_test_2);this_thread::sleep_for(chrono::seconds(5));cond.notify_all();myThread2.join();system("pause");return 0;
}

如果不仅仅想要判断条件变量,还想同时判断其它条件,可以这样做。

bool isReady = false;
unique_lock<mutex> locker(mtu);
cond.wait(locker, isReady);

当然,传入lambda函数或其它返回值为bool类型的函数也是可以的。

cond.wait(locker, []{cout << "this is lambda function" << endl;return isReady;});

不过有几点比较奇怪的是,你不能在执行cond.wait()语句之前就让函数的返回值是true,否则它会直接终止等待,执行下面的语句。
即你不能这样。

cond.wait(locker, true});

至于wait_for和wait_until如何仿造上面,同时进行多个判断,我也没学明白。。需要时候再学吧。

4、例程

自己写了一个线程池,可能不严谨。
大致思路如下:
1、定义一个任务队列,里面存放N个任务。
2、定义M个线程,存放在vector容器中。让这些线程不断往任务队列中取出任务,并执行之。
3、每添加一个任务进任务队列,就会唤醒任意一个空闲线程去读取任务。
4、用互斥锁去保证任务队列读写任务的顺利执行,并保证条件变量的效果。
5、在析构函数中,即整个程序结束前,不断唤醒空闲线程去取任务,直至任务队列为空。

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <queue>
#include <vector>
#include <functional>
#include <condition_variable>using namespace std;class ThreadPool
{
public:ThreadPool(int size) : _size(size), _isStop(false){//emplace some thread into thread_vectorfor(int i = 0; i < _size; i++)  thread_vector.emplace_back(//using lambda function to execute task[this]{function<void()> thraed_task;//all of threads will keep working until receive stop signal.while(true){unique_lock<mutex> locker(mtu);//waiting until queue is not emptycond.wait(locker, [this]{return _isStop || !task_queue.empty();});if(_isStop && task_queue.empty())   break;thraed_task  = task_queue.front();task_queue.pop();mtu.unlock();thraed_task();}     });}~ThreadPool(){while(!task_queue.empty())cond.notify_all();_isStop = true;for(int i = 0; i < _size; i++)  thread_vector[i].join();cout << "deconstructor" << endl;}void enqueue_task(function<void()> task){//we needn't consider mutex in different resource.unique_lock<mutex> locker(mtu);task_queue.push(move(task));cond.notify_one();mtu.unlock();}private:int _size;bool _isStop;mutex mtu;condition_variable cond;queue<function<void()>> task_queue;vector<thread> thread_vector;
};void HandleTask(int cnt)
{printf("thread %d handle the %d task!\n", this_thread::get_id(), cnt);this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1)); // Simulate work
}int main()
{//limit scope{ThreadPool pool(3);for (int i = 0; i < 9; i++) {pool.enqueue_task([i] { HandleTask(i + 1); });}}system("pause");return 0;
}

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