c++的并发操作（多线程）

C++11标准在标准库中为多线程提供了组件，这意味着使用C++编写与平台无关的多线程程序成为可能，而C++程序的可移植性也得到了有力的保证。另外，并发编程可提高应用的性能，这对对性能锱铢必较的C++程序员来说是值得关注的。

1. 何为并发

并发指的是两个或多个独立的活动在同一时段内发生。生活中并发的例子并不少，例如在跑步的时候你可能同时在听音乐；在看电脑显示器的同时你的手指在敲击键盘。这时我们称我们大脑并发地处理这些事件，只不过我们大脑的处理是有次重点的：有时候你会更关注你呼吸的频率，而有时候你更多地被美妙的音乐旋律所吸引。这时我们可以说大脑是一种并发设计的结构。这种次重点在计算机程序设计中，体现为某一个时刻只能处理一个操作。

与并发相近的另一个概念是并行。它们两者存在很大的差别。并行就是同时执行，计算机在同一时刻，在某个时间点上处理两个或以上的操作。判断一个程序是否并行执行，只需要看某个时刻上是否多两个或以上的工作单位在运行。一个程序如果是单线程的，那么它无法并行地运行。利用多线程与多进程可以使得计算机并行地处理程序（当然，前提是该计算机有多个处理核心）。

并发：同一时间段内可以交替处理多个操作：

图中整个安检系统是一个并发设计的结构。两个安检队列队首的人竞争这一个安检窗口，两个队列可能约定交替着进行安检，也可能是大家同时竞争安检窗口（通信）。后一种方式可能引起冲突：因为无法同时进行两个安检操作。在逻辑上看来，这个安检窗口是同时处理这两个队列。

并行：同一时刻内同时处理多个操作：

图中整个安检系统是一个并行的系统。在这里，每个队列都有自己的安检窗口，两个队列中间没有竞争关系，队列中的某个排队者只需等待队列前面的人安检完成，然后再轮到自己安检。在物理上，安检窗口同时处理这两个队列。

并发的程序设计，提供了一种方式让我们能够设计出一种方案将问题（非必须地）并行地解决。如果我们将程序的结构设计为可以并发执行的，那么在支持并行的机器上，我们可以将程序并行地执行。因此，并发重点指的是程序的设计结构，而并行指的是程序运行的状态。并发编程，是一种将一个程序分解成小片段独立执行的程序设计方法。

2.并发的基本方式途径

多线程与多进程是并发的两种途径。
想象两个场景：

场景一：你和小伙伴要开发一个项目，但小伙伴们放寒假都回家了，你们只能通过QQ聊天、手机通话、发送思维导图等方式来进行交流，总之你们无法很方便地进行沟通。好处是你们各自工作时可以互不打扰。
场景二：你和小伙伴放假都呆在学校实验室中开发项目，你们可以聚在一起使用头脑风暴，可以使用白板进行观点的阐述，总之你们沟通变得更方便有效了。有点遗憾的是你在思考时可能有小伙伴过来问你问题，你受到了打扰。

这两个场景描绘了并发的两种基本途径。每个小伙伴代表一个线程，工作地点代表一个处理器。场景一中每个小伙伴是一个单线程的进程，他们拥有独立的处理器，多个进程同时执行；场景二中只有一个处理器，所有小伙伴都是属于同一进程的线程。

2.1 多进程并发

多个进程独立地运行，它们之间通过进程间常规的通信渠道传递讯息（信号，套接字，文件，管道等），这种进程间通信不是设置复杂就是速度慢，这是因为为了避免一个进程去修改另一个进程，操作系统在进程间提供了一定的保护措施，当然，这也使得编写安全的并发代码更容易。
运行多个进程也需要固定的开销：进程的启动时间，进程管理的资源消耗。

2.2 多线程并发

在当个进程中运行多个线程也可以并发。线程就像轻量级的进程，每个线程相互独立运行，但它们共享地址空间，所有线程访问到的大部分数据如指针、对象引用或其他数据可以在线程之间进行传递，它们都可以访问全局变量。进程之间通常共享内存，但这种共享通常难以建立且难以管理，缺少线程间数据的保护。因此，在多线程编程中，我们必须确保每个线程锁访问到的数据是一致的。

3. C++中的并发与多线程

C++标准并没有提供对多进程并发的原生支持，所以C++的多进程并发要靠其他API——这需要依赖相关平台。
C++11 标准提供了一个新的线程库，内容包括了管理线程、保护共享数据、线程间的同步操作、低级原子操作等各种类。标准极大地提高了程序的可移植性，以前的多线程依赖于具体的平台，而现在有了统一的接口进行实现。

C++11 新标准中引入了几个头文件来支持多线程编程：（所以我们可以不再使用 CreateThread 来创建线程，简简单单地使用 std::thread 即可。）

< thread > :包含std::thread类以及std::this_thread命名空间。管理线程的函数和类在中声明.
< atomic > :包含std::atomic和std::atomic_flag类，以及一套C风格的原子类型和与C兼容的原子操作的函数。
< mutex > :包含了与互斥量相关的类以及其他类型和函数
< future > :包含两个Provider类（std::promise和std::package_task）和两个Future类（std::future和std::shared_future）以及相关的类型和函数。
< condition_variable > :包含与条件变量相关的类，包括std::condition_variable和std::condition_variable_any。

3.1 初试多线程

　　1、主进程等待子线程

#include <iostream>
#include <thread>
#include <Windows.h>
 
using namespace std;
 
void thread01()
{
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		cout << "Thread 01 is working ！" << endl;
		Sleep(100);
	}
}
void thread02()
{
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		cout << "Thread 02 is working ！" << endl;
		Sleep(200);
	}
}
 
int main()
{
	thread task01(thread01);
	thread task02(thread02);
	task01.join();
	task02.join();
 
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		cout << "Main thread is working ！" << endl;
		Sleep(200);
	}
	system("pause");
}

　　2.主进程和子进程互不干扰

#include <iostream>
#include <thread>
#include <Windows.h>
 
using namespace std;
 
void thread01()
{
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		cout << "Thread 01 is working ！" << endl;
		Sleep(100);
	}
}
void thread02()
{
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		cout << "Thread 02 is working ！" << endl;
		Sleep(200);
	}
}
 
int main()
{
	thread task01(thread01);
	thread task02(thread02);
	task01.detach();
	task02.detach();
 
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		cout << "Main thread is working ！" << endl;
		Sleep(200);
	}
	system("pause");
}

　　3.带参数的子线程

#include <iostream>
#include <thread>
#include <Windows.h>
 
using namespace std;
 
//定义带参数子线程
void thread01(int num)
{
	for (int i = 0; i < num; i++)
	{
		cout << "Thread 01 is working ！" << endl;
		Sleep(100);
	}
}
void thread02(int num)
{
	for (int i = 0; i < num; i++)
	{
		cout << "Thread 02 is working ！" << endl;
		Sleep(200);
	}
}
 
int main()
{
	thread task01(thread01, 5);  //带参数子线程
	thread task02(thread02, 5);
	task01.detach();
	task02.detach();
 
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		cout << "Main thread is working ！" << endl;
		Sleep(200);
	}
	system("pause");
}

　　4.多线程竞争的情况

有两个问题，一是有很多变量被重复输出了，而有的变量没有被输出；二是正常情况下每个线程输出的数据后应该紧跟一个换行符，但这里大部分却是另一个线程的输出。

这是由于第一个线程对变量操作的过程中，第二个线程也对同一个变量进行各操作，导致第一个线程处理完后的输出有可能是线程二操作的结果。针对这种数据竞争的情况，可以使用线程互斥对象mutex保持数据同步。

mutex类的使用需要包含头文件mutex：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <Windows.h>
#include <mutex>
 
using namespace std;
 
mutex mu;  //线程互斥对象
 
int totalNum = 100;
 
void thread01()
{
	while (totalNum > 0)
	{
		mu.lock(); //同步数据锁
		cout << totalNum << endl;
		totalNum--;
		Sleep(100);
		mu.unlock();  //解除锁定
	}
}
void thread02()
{
	while (totalNum > 0)
	{
		mu.lock();
		cout << totalNum << endl;
		totalNum--;
		Sleep(100);
		mu.unlock();
	}
}
 
int main()
{
	thread task01(thread01);
	thread task02(thread02);
	task01.detach();
	task02.detach();
	system("pause");
}

3.2 在类中使用子线程的一个问题

　　当我们再类中使用子线程我们会发现，我们不能把初始函数设置为类的成员函数，必须要把成员函数设置成static类型的才可以，但是这有设计到一个问题，就是static的类成员函数不能调用非static的变量成员，下面是一个两全其美的方法：

thread sendtask(bind(&client::sendata, this));//其中client是类的名字

　　这样就可以解决我们的问题。

posted @ 2018-07-23 16:51 yskn 阅读(44471) 评论(0) 编辑收藏举报

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杨凯楠