C++ 11 线程、锁和条件变量
C++ 11 线程、锁和条件变量
https://fzheng.me/2016/08/11/cpp11-multi-thread/
原文： C++11 threads, locks and condition variables
线程
std::thread 类， 位于 <thread> 头文件，实现了线程操作。std::thread 可以和普通函数和 lambda 表达式搭配使用。它还允许向线程的执行函数传递任意多参数。
#include <thread>
void func()
{
// do some work
}
int main()
{
std::thread t(func);
t.join();
return 0;
}
上面的例子中，t 是一个线程实例，函数 func() 在该线程运行。调用 join() 函数是为了阻塞当前线程（此处即主线程），直到 t 线程执行完毕。线程函数的返回值都会被忽略，但线程函数接受任意数目的输入参数。
void func(int i, double d, const std::string& s)
{
std::cout << i << ", " << d << ", " << s << std::endl;
}
int main()
{
std::thread t(func, 1, 12.50, "sample");
t.join();
return 0;
}
}
虽然可以向线程函数传递任意多参数，但都必须以值传递。如果需以引用传递，则必须以 std::ref 或 std::cref 封装，如下例所示：
void func(int& a)
{
a++;
}
int main()
{
int a = 42;
std::thread t(func, std::ref(a));
t.join();
std::stringcout << a << std::endl;
return 0;
}
这个程序会打印 43，但如果不用 std::ref 封装，则输出会是 42。
除了 join 函数，这个类还提供更多的操作：
-
swap：交换两个线程实例的句柄 -
detach：允许一个线程继续独立于线程实例运行；detach 过的线程不可以再 join
int main()
{
std::thread t(funct);
t.detach();
return 0;
}
一个重要的知识点是，如果一个线程函数抛出异常，并不会被常规的 try-catch 方法捕获。也就是说，下面的写法是不会奏效的：
try
{
std::thread t1(func);
std::thread t2(func);
t1.join();
t2.join();
}
catch(const std::exception& ex)
{
std::cout << ex.what() << std::endl;
}
要追踪线程间的异常，你可以在线程函数内捕获，暂时存储在一个稍后可以访问的结构内。
std::mutex g_mutex;
std::vector<std::exception_ptr> g_exceptions;
void throw_function()
{
throw std::exception("something wrong happened");
}
void func()
{
try
{
throw_function();
}
catch(...)
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(g_mutex);
g_exceptions.push_back(std::current_exception());
}
}
int main()
{
g_exceptions.clear();
std::thread t(func);
t.join();
for(auto& e : g_exceptions)
{
try
{
if(e != nullptr)
{
std::rethrow_exception(e);
}
}
catch(const std::exception& e)
{
std::cout << e.what() << std::endl;
}
}
return 0;
}
关于捕获和处理异常，更深入的信息可以参看 Handling C++ exceptions thrown from worker thread in the main thread 和 How can I propagate exceptions between threads? 。
此外，值得注意的是， 头文件还在 `std::this_thread` 命名空间下提供了一些辅助函数：
-
get_id: 返回当前线程的 id
-
yield: 告知调度器运行其他线程，可用于当前处于繁忙的等待状态
-
sleep_for：给定时长，阻塞当前线程
-
sleep_until：阻塞当前线程至给定时间点
锁
在上个例子中，我们需要对 g_exceptions 这个 vector 的访问进行同步处理，确保同一时刻只有一个线程能向它插入新的元素。为此我使用了一个 mutex 和一个锁（lock）。mutex 是同步操作的主体，在 C++ 11 的 <mutex> 头文件中，有四种风格的实现：
-
mutex：提供了核心的
lock()unlock()方法，以及当 mutex 不可用时就会返回的非阻塞方法try_lock() -
recursive_mutex：允许同一线程内对同一 mutex 的多重持有
-
timed_mutex： 与
mutex类似，但多了try_lock_for()try_lock_until()两个方法，用于在特定时长里持有 mutex，或持有 mutex 直到某个特定时间点 -
recursive_timed_mutex：
recursive_mutex和timed_mutex的结合
下面是一个使用 std::mutex 的例子（注意 get_id() 和 sleep_for() 两个辅助方法的使用，上文已有提及）。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <chrono>
std::mutex g_lock;
void func()
{
g_lock.lock();
std::cout << "entered thread " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(rand() % 10));
std::cout << "leaving thread " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
g_lock.unlock();
}
int main()
{
srand((unsigned int)time(0));
std::thread t1(func);
std::thread t2(func);
std::thread t3(func);
t1.join();
t2.join();
t3.join();
return 0;
}
输出如下：
entered thread 10144
leaving thread 10144
entered thread 4188
leaving thread 4188
entered thread 3424
leaving thread 3424
lock() unlock() 两个方法应该很好懂，前者锁住 mutex，如果该 mutex 不可用，则阻塞线程；稍后，后者解锁线程。
下面一个例子展示了一个简单的线程安全的容器（内部使用了 std::vector）。该容器提供用于添加单一元素的 add()方法，以及添加多个元素的 addrange() 方法（内部调用 add() 实现）。
注意：尽管如此，下面会指出，由于 va_args 的使用等原因，这个容器并非真正线程安全。此外，dump() 方法不应属于容器，在实际实现中它应该作为一个独立的辅助函数。这个例子的目的仅仅是展示 mutex 的相关概念，而非实现一个完整的线程安全的容器。
template <typename T>
class container
{
std::mutex _lock;
std::vector<T> _elements;
public:
void add(T element)
{
_lock.lock();
_elements.push_back(element);
_lock.unlock();
}
void addrange(int num, ...)
{
va_list arguments;
va_start(arguments, num);
for (int i = 0; i < num; i++)
{
_lock.lock();
add(va_arg(arguments, T));
_lock.unlock();
}
va_end(arguments);
}
void dump()
{
_lock.lock();
for(auto e : _elements)
std::cout << e << std::endl;
_lock.unlock();
}
};
void func(container<int>& cont)
{
cont.addrange(3, rand(), rand(), rand());
}
int main()
{
srand((unsigned int)time(0));
container<int> cont;
std::thread t1(func, std::ref(cont));
std::thread t2(func, std::ref(cont));
std::thread t3(func, std::ref(cont));
t1.join();
t2.join();
t3.join();
cont.dump();
return 0;
}
当你运行这个程序时，会进入死锁。原因：在 mutex 被释放前，容器尝试多次持有它，这显然不可能。这就是为什么引入 std::recursive_mutex ，它允许一个线程对 mutex 多重持有。允许的最大持有次数并不确定，但当达到上限时，线程锁会抛出 std::system_error 错误。因此，要解决上面例子的错误，除了修改 addrange 令其不再调用 lock 和 unlock 之外，可以用 std::recursive_mutex 代替 mutex。
template <typename T>
class container
{
std::recursive_mutex _lock;
// ...
};
成功输出：
6334
18467
41
6334
18467
41
6334
18467
41
敏锐的读者可能注意到，每次调用 func() 输出的都是相同的数字。这是因为，seed 是线程局部量，调用 srand() 只会在主线程中初始化 seed，在其他工作线程中 seed 并未被初始化，所以每次得到的数字都是一样的。
手动加锁和解锁可能造成问题，比如忘记解锁或锁的次序出错，都会造成死锁。C++ 11 标准提供了若干类和函数来解决这个问题。封装类允许以 RAII 风格使用 mutex，在一个锁的生存周期内自动加锁和解锁。这些封装类包括：
-
lock_guard：当一个实例被创建时，会尝试持有 mutex （通过调用
lock()）；当实例销毁时，自动释放 mutex （通过调用unlock()）。不允许拷贝。 -
unique_lock：通用 mutex 封装类，与
lock_guard不同，还支持延迟锁、计时锁、递归锁、移交锁的持有权，以及使用条件变量。不允许拷贝，但允许转移（move）。
借助这些封装类，可以把容器改写为：
template <typename T>
class container
{
std::recursive_mutex _lock;
std::vector<T> _elements;
public:
void add(T element)
{
std::lock_guard<std::recursive_mutex> locker(_lock);
_elements.push_back(element);
}
void addrange(int num, ...)
{
va_list arguments;
va_start(arguments, num);
for (int i = 0; i < num; i++)
{
std::lock_guard<std::recursive_mutex> locker(_lock);
add(va_arg(arguments, T));
}
va_end(arguments);
}
void dump()
{
std::lock_guard<std::recursive_mutex> locker(_lock);
for(auto e : _elements)
std::cout << e << std::endl;
}
};
读者可能会提出， dump() 方法不更改容器的状态，应该设为 const。但如果你添加 const 关键字，会得到如下编译错误：
‘std::lock_guard<_Mutex>::lock_guard(_Mutex &)' : cannot convert parameter 1 from ‘const std::recursive_mutex' to ‘std::recursive_mutex &'
一个 mutex （不管何种风格）必须被持有和释放，这意味着 lock() unlock 方法必被调用，这两个方法是 non-const 的。所以，逻辑上 lock_guard 的声明不能是 const （若该方法 为 const，则 mutex 也为 const）。这个问题的解决办法是，将 mutex 设为 mutable。mutable 允许由 const 方法更改 mutex 状态。不过，这种用法仅限于隐式的，或「元（meta）」状态——譬如，运算过的高速缓存、检索完成的数据，使得下次调用能瞬间完成；或者，改变像 mutex 之类的位元，仅仅作为一个对象的实际状态的补充。
template <typename T>
class container
{
mutable std::recursive_mutex _lock;
std::vector<T> _elements;
public:
void dump() const
{
std::lock_guard<std::recursive_mutex> locker(_lock);
for(auto e : _elements)
std::cout << e << std::endl;
}
};
这些封装类锁的构造函数可以通过重载的声明来指定锁的策略。可用的策略有：
-
defer_lock_t类型的defer_lock：不持有 mutex -
try_to_lock_t类型的try_to_lock： 尝试持有 mutex 而不阻塞线程 -
adopt_lock_t类型的adopt_lock：假定调用它的线程已持有 mutex
这些策略的声明方式如下：
struct defer_lock_t { };
struct try_to_lock_t { };
struct adopt_lock_t { };
constexpr std::defer_lock_t defer_lock = std::defer_lock_t();
constexpr std::try_to_lock_t try_to_lock = std::try_to_lock_t();
constexpr std::adopt_lock_t adopt_lock = std::adopt_lock_t();
除了这些 mutex 封装类之外，标准库还提供了两个方法用于锁住一个或多个 mutex：
-
lock：锁住 mutex，通过一个避免了死锁的算法（通过调用
lock()，try_lock()和unlock()实现） -
try_lock：尝试通过调用
try_lock()来调用多个 mutex，调用次序由 mutex 的指定次序而定
下面是一个死锁案例：有一个元素容器，以及一个 exchange() 函数用于互换两个容器里的某个元素。为了实现线程安全，这个函数通过一个和容器关联的 mutex，对这两个容器的访问进行同步。
template <typename T>
class container
{
public:
std::mutex _lock;
std::set<T> _elements;
void add(T element)
{
_elements.insert(element);
}
void remove(T element)
{
_elements.erase(element);
}
};
void exchange(container<int>& cont1, container<int>& cont2, int value)
{
cont1._lock.lock();
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // <-- forces context switch to simulate the deadlock
cont2._lock.lock();
cont1.remove(value);
cont2.add(value);
cont1._lock.unlock();
cont2._lock.unlock();
}
假如这个函数在两个线程中被调用，在其中一个线程中，一个元素被移出容器 1 而加到容器 2；在另一个线程中，它被移出容器 2 而加到容器 1。这可能导致死锁——当一个线程刚持有第一个锁，程序马上切入另一个线程的时候。
int main()
{
srand((unsigned int)time(NULL));
container<int> cont1;
cont1.add(1);
cont1.add(2);
cont1.add(3);
container<int> cont2;
cont2.add(4);
cont2.add(5);
cont2.add(6);
std::thread t1(exchange, std::ref(cont1), std::ref(cont2), 3);
std::thread t2(exchange, std::ref(cont2), std::ref(cont1), 6);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
要解决这个问题，可以使用 std::lock，保证所有的锁都以不会死锁的方式被持有：
void exchange(container<int>& cont1, container<int>& cont2, int value)
{
std::lock(cont1._lock, cont2._lock);
cont1.remove(value);
cont2.add(value);
cont1._lock.unlock();
cont2._lock.unlock();
}
条件变量
C++ 11 提供的另一个同步机制是条件变量，用于阻塞一个或多个线程，直到接收到另一个线程的通知信号，或暂停信号，或伪唤醒信号。在 <condition_variable> 头文件里，有两个风格的条件变量实现：
-
condition_variable：所有需要等待这个条件变量的线程，必须先持有一个
std::unique_lock -
condition_variable_any：更通用的实现，任何满足锁的基本条件（提供
lock()和unlock()功能）的类型都可以使用；在性能和系统资源占用方面可能消耗更多，因而只有在它的灵活性成为必需的情况下才应优先使用
条件变量的工作机制如下：
-
至少有一个线程在等待某个条件成立。等待的线程必须先持有一个
unique_lock锁。这个锁被传递给wait()方法，这会释放 mutex，阻塞线程直至条件变量收到通知信号。当收到通知信号，线程唤醒，重新持有锁。 -
至少有一个线程在发送条件成立的通知信号。信号的发送可以用
notify_one()方法， 只解锁任意一个正在等待通知信号的线程，也可以用notify_all()方法， 解锁所有等待条件成立信号的线程。 -
在多核处理器系统上，由于使条件唤醒完全可预测的某些复杂机制的存在，可能发生伪唤醒，即一个线程在没有别的线程发送通知信号时也会唤醒。因而，当线程唤醒时，检查条件是否成立是必要的。而且，伪唤醒可能多次发生，所以条件检查要在一个循环里进行。
下面的代码展示使用条件变量进行线程同步的实例： 几个工作员线程在运行过程中会产生错误，他们将错误码存在一个队列里。一个记录员线程处理这些错误码，将错误码从记录队列里取出并打印出来。工作员会在发生错误时，给记录员发送信号。记录员则等待条件变量的通知信号。为了避免伪唤醒，等待工作放在一个检查布尔值的循环内。
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <iostream>
#include <queue>
#include <random>
std::mutex g_lockprint;
std::mutex g_lockqueue;
std::condition_variable g_queuecheck;
std::queue<int> g_codes;
bool g_done;
bool g_notified;
void workerfunc(int id, std::mt19937& generator)
{
// print a starting message
{
std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockprint);
std::cout << "[worker " << id << "]\trunning..." << std::endl;
}
// simulate work
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1 + generator() % 5));
// simulate error
int errorcode = id*100+1;
{
std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockprint);
std::cout << "[worker " << id << "]\tan error occurred: " << errorcode << std::endl;
}
// notify error to be logged
{
std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockqueue);
g_codes.push(errorcode);
g_notified = true;
g_queuecheck.notify_one();
}
}
void loggerfunc()
{
// print a starting message
{
std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockprint);
std::cout << "[logger]\trunning..." << std::endl;
}
// loop until end is signaled
while(!g_done)
{
std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockqueue);
while(!g_notified) // used to avoid spurious wakeups
{
g_queuecheck.wait(locker);
}
// if there are error codes in the queue process them
while(!g_codes.empty())
{
std::