C++多线程编程
一、概念
多线程（英语：multithreading），是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术。
传统的C++（C++11标准之前）中并没有引入线程这个概念，在C++11出来之前，如果我们想要在C++中实现多线程，需要借助操作系统平台提供的API，比如Linux的<pthread.h>，或者windows下的<windows.h> 。
1.1 其他相关概念介绍
- 软件多线程：即便处理器只能运行一个线程，操作系统也可以通过快速的在不同线程之间进行切换，由于时间间隔很小，来给用户造成一种多个线程同时运行的假象；
- 进程：是指计算机中已运行的程序；
- 并行：并列运行，多个CPU下支持；
- 并发：多个任务请求运行，CPU轮流交替运行。
1.2 多线程常见的方式
1.使用标准库提供的thread类：C++11引入了std::thread类，可以用于创建和管理线程。通过包含
2.继承自std::thread的子类：你也可以通过继承std::thread类来创建自己的线程类，以便更好地封装和管理线程。
3.POSIX线程库（pthread）：这是一套用于跨平台多线程编程的API，可以在Linux、UNIX等系统上使用。需要包含<pthread.h>头文件，并使用pthread_create函数创建新的线程。
4.使用C++11的std::async和std::future：这种方式可以在一个函数中并发执行多个任务，并获得它们的结果。通过std::async函数创建异步任务，返回一个std::future对象，然后使用std::future来获取结果。
5.OpenMP
二、std::thread类
2.1 创建线程
1.创建线程需要引入头文件 #include
2.语句"std::thread th1(proc1);"创建了一个名为th1的线程，并且线程th1开始执行;
实例化std::thread类对象时，至少需要传递函数名作为参数。如果函数为有参函数,如"void proc2(int a,int b)",那么实例化std::thread类对象时，则需要传递更多参数，参数顺序依次为函数名、该函数的第一个参数、该函数的第二个参数，···，如"std::thread th2(proc2,a,b);"
3.当线程启动后，一定要在和线程相关联的std::thread对象销毁前，对线程运用join()或者detach()方法。
2.2 回收子线程资源
回收子线程的资源有两种方法——join和detach：
2.2.1 join方法
join的意思是父线程等待子线程结束，在子线程结束时，负责回收子线程的资源。
本质上是使当前线程阻塞，执行加入线程的逻辑。
2.2.2 detach方法
detach的含义是父线程和子线程相互分离，分离的线程由操作系统自动管理。
2.2.3 joinable()
joinable()是一个布尔类型的函数，他会返回一个布尔值来表示当前的线程是否是可执行线程(能被join或者detach)。
因为相同的线程不能join两次，也不能join完再detach，同理也不能detach完再join，所以joinable函数就是用来判断当前这个线程是否可以joinable。
通常有以下几种情况不能被joinable：
- thread t;：t由缺省构造函数构建，此时线程未传入具体的线程函数。
- 该thread被move过（包括move构造和move赋值）。【move指的是：线程的所有权将发生转移，原有线程对象的相关标识被清空，失去线程的控制权。其原有线程类对象ID变为0，joinable变为为false。】
- 该线程已经被join或者detach过。
2.3 构造函数
thread() noexcept // 默认构造函数，创建一个空thread对象，该对象非joinable
template <class Fn, class... Args> // 初始化构造函数，创建一个thread对象，该对象会调用Fn函数，Fn函数的参数由args指定，该对象是joinable的
thread (const thread&) = delete // 拷贝构造函数，被禁用，意味着thread对象不可拷贝构造
thread (thread&& x) noexcept // move构造函数，执行成功之后x失效，即x的执行信息被移动到新产生的thread对象，该对象非joinable
2.4 std::thread类成员函数
get_id： // 获取线程ID。返回一个类型为std::thread::id的对象。
joinable： // 检查线程是否可被join。检查当前的线程对象是否表示了一个活动的执行线程
join： // 调用该函数会阻塞当前线程（主调线程）。阻塞调用者(caller)所在的线程（主调线程）直至被join的std::thread对象标识的线程（被调线程）执行结束
detach： // 将当前线程对象所代表的执行实例与该线程对象分离，使得线程的执行可以单独进行。一旦线程执行完毕，它所分配的资源将会被释放。
native_handle: // 该函数返回与std::thread具体实现相关的线程句柄。native_handle_type是连接thread类和操作系统SDK API之间的桥梁，如在Linux g++(libstdc++)里，native_handle_type其实就是pthread里面的pthread_t类型，当thread类的功能不能满足我们的要求的时候(比如改变某个线程的优先级)，可以通过thread类实例的native_handle()返回值作为参数来调用相关的pthread函数达到目录。
swap： // 交换两个线程对象所代表的底层句柄
operator=： // 将线程与当前 thread 对象关联
sleep_for： // 线程休眠某个指定的时间片(time span)，该线程才被重新唤醒，不过由于线程调度等原因，实际休眠时间可能比 sleep_duration 所表示的时间片更长。
sleep_until: // 线程休眠至某个指定的时刻(time point)，该线程才被重新唤醒。
三、Mutex互斥量
C++ 11中与 Mutex 相关的类（包括锁类型）和函数都声明在
3.1 mutex 中类的介绍
3.1.1 mutex 系列类(4 种)
std::mutex // 最基本的Mutex类
std::recursive_mutex // 递归Mutex类
std::time_mutex // 定时Mutex类
std::recursive_timed_mutex // 定时递归Mutex类
3.1.2 lock 类（2种）
std::lock_guard // 与Mutex RAII 相关，方便线程对互斥量上锁
std::unique_lock // 与 Mutex RAII 相关，方便线程对互斥量上锁，但提供了更好的上锁和解锁控制
3.1.3 函数（3种）
std::try_lock // 尝试同时对多个互斥量上锁
std::lock // 可以同时对多个互斥量上锁
std::call_once // 如果多个线程需要同时调用某个函数，call_once 可以保证多个线程对该函数只调用一次。
3.2 std::mutex成员函数
如何理解互斥量：这样比喻，两个人要去银行的柜台办理业务，且银行只有一个柜台，A要办理业务，B也要办理业务，但是柜台同一时间只能给一个人办理，在办理业务时要坐到柜台位置（lock），用完后再离开柜台位置(unlock)。
那么，这个柜台位置就是互斥量，互斥量保证了使用办理业务这一过程不被打断。
3.2.1 构造函数
std::mutex不允许拷贝构造，也不允许 move 拷贝，最初产生的 mutex 对象是处于 unlocked 状态的。
3.2.2 lock()函数
调用线程将锁住该互斥量。
线程调用该函数会发生下面 3 种情况：
1）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。
2）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。
3）如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。
3.2.3 unlock()函数
解锁，释放对互斥量的所有权。
3.2.4 try_lock()函数
尝试锁住互斥量，如果互斥量被其他线程占有，则当前线程也不会被阻塞。
线程调用该函数也会出现下面 3 种情况，
1）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。
2）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。
3）如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。
3.3 std::recursive_mutex
std::recursive_mutex 与 std::mutex 一样，也是一种可以被上锁的对象，但是和 std::mutex 不同的是，std::recursive_mutex 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，std::recursive_mutex 释放互斥量时需要调用与该锁层次深度相同次数的 unlock()，可理解为 lock() 次数和 unlock() 次数相同，除此之外，std::recursive_mutex 的特性和 std::mutex 大致相同。
3.4 std::time_mutex
std::time_mutex 比 std::mutex 多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until()。
try_lock_for 函数接受一个时间范围，表示在这一段时间范围之内线程如果没有获得锁则被阻塞住（与 std::mutex 的 try_lock() 不同，try_lock 如果被调用时没有获得锁则直接返回 false），如果在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，如果超时（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。
try_lock_until 函数则接受一个时间点作为参数，在指定时间点未到来之前线程如果没有获得锁则被阻塞住，如果在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，如果超时（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。
3.5 std::recursive_timed_mutex
和 std:recursive_mutex 与 std::mutex 的关系一样，std::recursive_timed_mutex 的特性也可以从 std::timed_mutex 推导出来。
3.6 std::lock_guard
内部构造时相当于执行了lock，析构时相当于执行unlock。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()
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。
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
3.7 std::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。
void proc1(int a)
{
unique_lock<mutex> g1(m, defer_lock); //始化了一个没有加锁的mutex
g1.lock(); //手动加锁，注意，不是m.lock()
cout << "proc1函数正在改写a" << endl;
cout << "proc1函数a为" << a << endl;
cout << "proc1函数a+2为" << a + 2 << endl;
g1.unlock(); //临时解锁
cout << "尝试自动解锁" << endl;
g1.lock();
cout << "运行后自动解锁" << 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 << "proc2函数a为" << a << endl;
cout << "proc2函数a+1为" << a + 1 << endl;
} //自动解锁
3.8 condition_variable
std::condition_variable是C++标准库中提供的条件变量，用于线程之间的同步与通信。
它可以配合std::mutex或std::unique_lock一起使用，实现多个线程之间的等待和唤醒机制。
condition_variable头文件有两个variable类，一个是condition_variable，另一个是condition_variable_any。
condition_variable必须结合unique_lock使用。condition_variable_any可以使用任何的锁。
condition_variable条件变量可以阻塞（wait、wait_for、wait_until）调用的线程直到使用（notify_one或notify_all）通知恢复为止。
condition_variable是一个类，这个类既有构造函数也有析构函数，使用时需要构造对应的condition_variable对象，调用对象相应的函数来实现上面的功能。
举例如下：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
std::mutex mtx; // 互斥锁
std::condition_variable cv; // 条件变量
bool ready = false; // 共享变量
void threadFunction()
{
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟耗时操作
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 获取互斥锁
ready = true;
cv.notify_one(); // 唤醒等待的线程
}
}
int main()
{
std::cout << "Main thread started!" << std::endl;
std::thread t(threadFunction);
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); // 获取互斥锁
while (!ready) { // 当条件不满足时等待
cv.wait(lock); // 等待唤醒通知
}
std::cout << "Main thread resumed!" << std::endl;
}
t.join();
return 0;
}
在上述示例中，主线程等待子线程完成某个操作后才继续执行。主线程通过std::unique_lock获取互斥锁，并在while循环中检查条件是否满足，如果条件不满足，则调用cv.wait()进入等待状态。当子线程完成操作后，它会获取互斥锁并通知主线程(cv.notify_one())，主线程被唤醒后继续执行。
3.8.1 wait函数
当前线程调用 wait() 后将被阻塞(此时当前线程应该获得了锁（mutex），不妨设获得锁 lck)，直到另外某个线程调用 notify_* 唤醒了当前线程。
在线程被阻塞时，该函数会自动调用 lck.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(notified，通常是另外某个线程调用 notify_* 唤醒了当前线程)，wait()函数也是自动调用 lck.lock()，使得lck的状态和 wait 函数被调用时相同。
3.8.2 wait_for
与std::condition_variable::wait() 类似，不过 wait_for可以指定一个时间段，在当前线程收到通知或者指定的时间 rel_time 超时之前，该线程都会处于阻塞状态。
而一旦超时或者收到了其他线程的通知，wait_for返回，剩下的处理步骤和 wait()类似。
template <class Rep, class Period>
cv_status wait_for (unique_lock<mutex>& lck,
const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time);
另外，wait_for 的重载版本的最后一个参数pred表示 wait_for的预测条件，只有当 pred条件为false时调用 wait()才会阻塞当前线程，并且在收到其他线程的通知后只有当 pred为 true时才会被解除阻塞。
template <class Rep, class Period, class Predicate>
bool wait_for (unique_lock<mutex>& lck,
const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time, Predicate pred);
四、异步线程
4.1 std::future异步线程
需要 #include
如何理解：相当于你去银行业务（主线程），把资料交给了柜台，柜台人员去给你办理（async创建子线程），柜台人员给了你一个单据（future对象），说你的业务正在给你办（子线程正在运行），等段时间你再过来凭这个单据取结果。过了段时间，你去柜台取结果，但是结果还没出来（子线程还没return），你就在柜台人员等着（阻塞），直到你拿到结果（get()）你才离开（不再阻塞）。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include<future>
#include<Windows.h>
using namespace std;
double t1(const double a, const double b)
{
double c = a + b;
Sleep(3000); //假设t1函数是个复杂的计算过程，需要消耗3秒
return c;
}
int main()
{
double a = 2.3;
double b = 6.7;
future<double> fu = async(t1, a, b); //创建异步线程线程，并将线程的执行结果用fu占位；
cout << "正在办理业务" << endl;
cout << "马上为您办理好，请您耐心等待" << endl;
cout << "计算结果：" << fu.get() << endl;//阻塞主线程，直至异步线程return，future对象的get()方法只能调用一次。
return 0;
}
4.2 shared_future
future与shard_future的用途都是为了占位，但是两者有些许差别。future的get()成员函数是转移数据所有权；
shared_future的get()成员函数是复制数据。
future对象的get()只能调用一次；无法实现多个线程等待同一个异步线程，一旦其中一个线程获取了异步线程的返回值，其他线程就无法再次获取。
shared_future对象的get()可以调用多次；可以实现多个线程等待同一个异步线程，每个线程都可以获取异步线程的返回值。
五、原子类型automic
互斥量的加锁一般是针对一个代码段，而原子操作针对的一般都是一个变量。
automic是一个模板类，使用该模板类实例化的对象，提供了一些保证原子性的成员函数来实现共享数据的常用操作。
在以前，定义了一个共享的变量(int i=0)，多个线程会操作这个变量，那么每次操作这个变量时，都是用lock加锁，操作完毕使用unlock解锁，以保证线程之间不会冲突；
现在，实例化了一个类对象(automic i=0)来代替以前的那个变量，每次操作这个对象时，就不用lock与unlock，这个对象自身就具有原子性，以保证线程之间不会冲突。
automic对象提供了常见的原子操作（通过调用成员函数实现对数据的原子操作）:
- store是原子写操作。
- load是原子读操作。
- exchange是于两个数值进行交换的原子操作。
- 即使使用了automic，也要注意执行的操作是否支持原子性。一般atomic原子操作，针对++，–，+=，-=，&=，|=，^=是支持的。
#include <atomic>
#include <thread>
#include <iostream>
using namespace std;
atomic_int64_t total = 0; //atomic_int64_t相当于int64_t，但是本身就拥有原子性
//线程函数，用于累加
void threadFunc(int64_t endNum) {
for (int64_t i = 1; i <= endNum; ++i)
{
total += i;
}
}
int main() {
int64_t endNum = 100;
thread t1(threadFunc, endNum);
thread t2(threadFunc, endNum);
t1.join();
t2.join();
cout << "total=" << total << endl; //10100
}
六、线程池
在一个程序中，如果我们需要多次使用线程，这就意味着，需要多次的创建并销毁线程。
而创建并销毁线程的过程势必会消耗内存，线程过多会带来调动的开销，进而影响缓存局部性和整体性能。
线程的创建并销毁有以下一些缺点：
- 创建太多线程，将会浪费一定的资源，有些线程未被充分使用。
- 销毁太多线程，将导致之后浪费时间再次创建它们。
- 创建线程太慢，将会导致长时间的等待，性能变差。
- 销毁线程太慢，导致其它线程资源饥饿。
线程池维护着多个线程，这避免了在处理短时间任务时，创建与销毁线程的代价。
