C++多线程基础教程

目录

• 1 什么是C++多线程？
• 2 C++多线程基础知识
  • 2.1 创建线程
  • 2.2 互斥量使用
    • lock()与unlock():
    • lock_guard():
    • unique_lock:
    • condition_variable:
  • 2.3 异步线程
    • async与future：
    • shared_future
  • 2.4 原子类型automic
• 实例
  • 生产者消费者问题
• 4 C++多线程高级知识
  • 4.1 线程池
    • 线程池基础知识
    • 线程池的实现
• 5 延伸拓展

最后一次更新日期：2020.08.23

1 什么是C++多线程？

线程：线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，进程包含一个或者多个线程。进程可以理解为完成一件事的完整解决方案，而线程可以理解为这个解决方案中的的一个步骤，可能这个解决方案就这只有一个步骤，也可能这个解决方案有多个步骤。
多线程：多线程是实现并发（并行）的手段，并发（并行）即多个线程同时执行，一般而言，多线程就是把执行一件事情的完整步骤拆分为多个子步骤，然后使得这多个步骤同时执行。
C++多线程：（简单情况下）C++多线程使用多个函数实现各自功能，然后将不同函数生成不同线程，并同时执行这些线程（不同线程可能存在一定程度的执行先后顺序，但总体上可以看做同时执行）。
上述概念很容易因表述不准确而造成误解，这里没有深究线程与进程，并发与并行的概念，以上仅为一种便于理解的表述，如果有任何问题还请指正，若有更好的表述，也欢迎留言分享。

2 C++多线程基础知识

2.1 创建线程

首先要引入头文件#include<thread>(C++11的标准库中提供了多线程库)，该头文件中定义了thread类，创建一个线程即实例化一个该类的对象，实例化对象时候调用的构造函数需要传递一个参数，该参数就是函数名，thread th1(proc1)；如果传递进去的函数本身需要传递参数，实例化对象时将这些参数按序写到函数名后面，thread th1(proc1,a,b);只要创建了线程对象（传递“函数名/可调用对象”作为参数的情况下），线程就开始执行（std::thread 有一个无参构造函数重载的版本，不会创建底层的线程）。
有两种线程阻塞方法join()与detach()，阻塞线程的目的是调节各线程的先后执行顺序，这里重点讲join()方法，不推荐使用detach()，detach()使用不当会发生引用对象失效的错误。当线程启动后，一定要在和线程相关联的thread对象销毁前，对线程运用join()或者detach()。
join(), 当前线程暂停, 等待指定的线程执行结束后, 当前线程再继续。th1.join()，即该语句所在的线程（该语句写在main（）函数里面，即主线程内部）暂停，等待指定线程（指定线程为th1）执行结束后，主线程再继续执行。
整个过程就相当于你在做某件事情，中途你让老王帮你办一个任务（你办的时候他同时办）（创建线程1），又叫老李帮你办一件任务（创建线程2），现在你的这部分工作做完了，需要用到他们的结果，只需要等待老王和老李处理完（join()，阻塞主线程），等他们把任务做完（子线程运行结束），你又可以开始你手头的工作了（主线程不再阻塞）。

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
void proc(int a)
{
    cout << "我是子线程,传入参数为" << a << endl;
    cout << "子线程中显示子线程id为" << this_thread::get_id()<< endl;
}
int main()
{
    cout << "我是主线程" << endl;
    int a = 9;
    thread th2(proc,a);//第一个参数为函数名，第二个参数为该函数的第一个参数，如果该函数接收多个参数就依次写在后面。此时线程开始执行。
    cout << "主线程中显示子线程id为" << th2.get_id() << endl;
    th2.join()；//此时主线程被阻塞直至子线程执行结束。
    return 0;
}

2.2 互斥量使用

什么是互斥量？

这样比喻，单位上有一台打印机（共享数据a），你要用打印机（线程1要操作数据a），同事老王也要用打印机(线程2也要操作数据a)，但是打印机同一时间只能给一个人用，此时，规定不管是谁，在用打印机之前都要向领导申请许可证（lock），用完后再向领导归还许可证(unlock)，许可证总共只有一个,没有许可证的人就等着在用打印机的同事用完后才能申请许可证(阻塞，线程1lock互斥量后其他线程就无法lock,只能等线程1unlock后，其他线程才能lock)，那么，这个许可证就是互斥量。互斥量保证了使用打印机这一过程不被打断。

程序实例化mutex对象m,线程调用成员函数m.lock()会发生下面 3 种情况：
(1)如果该互斥量当前未上锁，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)如果该互斥量当前被锁住，则调用线程被阻塞,直至该互斥量被解锁。

互斥量怎么使用？

首先需要#include<mutex>

lock()与unlock():

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
using namespace std;
mutex m;//实例化m对象，不要理解为定义变量
void proc1(int a)
{
    m.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;
    m.unlock();
}

void proc2(int a)
{
    m.lock();
    cout << "proc2函数正在改写a" << endl;
    cout << "原始a为" << a << endl;
    cout << "现在a为" << a + 1 << endl;
    m.unlock();
}
int main()
{
    int a = 0;
    thread proc1(proc1, a);
    thread proc2(proc2, a);
    proc1.join();
    proc2.join();
    return 0;
}

不推荐实直接去调用成员函数lock()，因为如果忘记unlock()，将导致锁无法释放，使用lock_guard或者unique_lock能避免忘记解锁这种问题。

lock_guard():

其原理是：声明一个局部的lock_guard对象，在其构造函数中进行加锁，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()。
通过设定作用域，使得lock_guard在合适的地方被析构（在互斥量锁定到互斥量解锁之间的代码叫做临界区（需要互斥访问共享资源的那段代码称为临界区），临界区范围应该尽可能的小，即lock互斥量后应该尽早unlock），通过使用{}来调整作用域范围，可使得互斥量m在合适的地方被解锁：

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
using namespace std;
mutex m;//实例化m对象，不要理解为定义变量
void proc1(int a)
{
    lock_guard<mutex> g1(m);//用此语句替换了m.lock()；lock_guard传入一个参数时，该参数为互斥量，此时调用了lock_guard的构造函数，申请锁定m
    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;
}//此时不需要写m.unlock(),g1出了作用域被释放，自动调用析构函数，于是m被解锁

void proc2(int a)
{
    {
        lock_guard<mutex> g2(m);
        cout << "proc2函数正在改写a" << endl;
        cout << "原始a为" << a << endl;
        cout << "现在a为" << a + 1 << endl;
    }//通过使用{}来调整作用域范围，可使得m在合适的地方被解锁
    cout << "作用域外的内容3" << endl;
    cout << "作用域外的内容4" << endl;
    cout << "作用域外的内容5" << endl;
}
int main()
{
    int a = 0;
    thread proc1(proc1, a);
    thread proc2(proc2, a);
    proc1.join();
    proc2.join();
    return 0;
}

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。

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

void proc2(int a)
{
    lock_guard<mutex> g2(m);//自动锁定
    cout << "proc2函数正在改写a" << endl;
    cout << "原始a为" << a << endl;
    cout << "现在a为" << a + 1 << endl;
}//自动解锁
int main()
{
    int a = 0;
    thread proc1(proc1, a);
    thread proc2(proc2, a);
    proc1.join();
    proc2.join();
    return 0;
}

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: 始化了一个没有加锁的mutex;

	lock_guard	unique_lock
手动lock与手动unlock	不支持	支持
参数	支持adopt_lock	支持adopt_lock/try_to_lock/defer_lock

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
using namespace std;
mutex m;
void proc1(int a)
{
    unique_lock<mutex> g1(m, defer_lock);//始化了一个没有加锁的mutex
    cout << "不拉不拉不拉" << endl;
    g1.lock();//手动加锁，注意，不是m.lock();注意，不是m.lock();注意，不是m.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;
    g1.unlock();//临时解锁
    cout << "不拉不拉不拉"  << endl;
    g1.lock();
    cout << "不拉不拉不拉" << 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 << "原始a为" << a << endl;
    cout << "现在a为" << a + 1 << endl;
}//自动解锁
int main()
{
    int a = 0;
    thread proc1(proc1, a);
    thread proc2(proc2, a);
    proc1.join();
    proc2.join();
    return 0;
}

unique_lock所有权的转移

mutex m;
{  
    unique_lock<mutex> g2(m,defer_lock);
    unique_lock<mutex> g3(move(g2));//所有权转移，此时由g3来管理互斥量m
    g3.lock();
    g3.unlock();
    g3.lock();
}

condition_variable:

需要#include<condition_variable>;
wait(locker):在线程被阻塞时，该函数会自动调用 locker.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(通常是另外某个线程调用 notify_* 唤醒了当前线程)，wait() 函数此时再自动调用 locker.lock()。
notify_all():随机唤醒一个等待的线程
notify_once():唤醒所有等待的线程

2.3 异步线程

需要#include<future>

async与future：

async是一个函数模板，用来启动一个异步任务，它返回一个future类模板对象，future对象起到了占位的作用，刚实例化的future是没有储存值的，但在调用future对象的get()成员函数时，主线程会被阻塞直到异步线程执行结束，并把返回结果传递给future，即通过FutureObject.get()获取函数返回值。

相当于你去办政府办业务（主线程），把资料交给了前台，前台安排了人员去给你办理（async创建子线程），前台给了你一个单据（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，你去前台取结果，但是结果还没出来（子线程还没return），你就在前台等着（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 << "正在进行计算" << endl;
	cout << "计算结果马上就准备好，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
        //cout << "计算结果：" << fu.get() << endl;//取消该语句注释后运行会报错，因为future对象的get()方法只能调用一次。
	return 0;
}

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。
因此：
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。

	future	shared_future
语义	转移	赋值
可否多次调用	否	可

2.4 原子类型automic

原子操作指“不可分割的操作”；也就是说这种操作状态要么是完成的，要么是没完成的。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。

可以这样理解：
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。

实例

前一章内容为了简单的说明一些函数的用法，所列举的例子有些牵强，因此在本章列举了一些多线程常见的实例

生产者消费者问题

/*
生产者消费者问题
*/
#include <iostream>
#include <deque>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include<Windows.h>
using namespace std;

deque<int> q;
mutex mu;
condition_variable cond;
int c = 0;//缓冲区的产品个数

void producer() { 
	int data1;
	while (1) {//通过外层循环，能保证生成用不停止
		if(c < 3) {//限流
			{
				data1 = rand();
				unique_lock<mutex> locker(mu);//锁
				q.push_front(data1);
				cout << "存了" << data1 << endl;
				cond.notify_one();  // 通知取
				++c;
			}
			Sleep(500);
		}
	}
}

void consumer() {
	int data2;//data用来覆盖存放取的数据
	while (1) {
		{
			unique_lock<mutex> locker(mu);
			while(q.empty())
				cond.wait(locker); //wati()阻塞前先会解锁,解锁后生产者才能获得锁来放产品到缓冲区；生产者notify后，将不再阻塞，且自动又获得了锁。
			data2 = q.back();//取的第一步
			q.pop_back();//取的第二步
			cout << "取了" << data2<<endl;
			--c;
		}
		Sleep(1500);
	}
}
int main() {
	thread t1(producer);
	thread t2(consumer);
	t1.join();
	t2.join();
	return 0;
}

4 C++多线程高级知识

4.1 线程池

线程池基础知识

不采用线程池时：

创建线程 -> 由该线程执行任务 -> 任务执行完毕后销毁线程。即使需要使用到大量线程，每个线程都要按照这个流程来创建、执行与销毁。

虽然创建与销毁线程消耗的时间 远小于 线程执行的时间，但是对于需要频繁创建大量线程的任务，创建与销毁线程 所占用的时间与CPU资源也会有很大占比。

为了减少创建与销毁线程所带来的时间消耗与资源消耗，因此采用线程池的策略：

程序启动后，预先创建一定数量的线程放入空闲队列中，这些线程都是处于阻塞状态，基本不消耗CPU，只占用较小的内存空间。

接收到任务后，线程池选择一个空闲线程来执行此任务。

任务执行完毕后，不销毁线程，线程继续保持在池中等待下一次的任务。

线程池所解决的问题：

(1) 需要频繁创建与销毁大量线程的情况下，减少了创建与销毁线程带来的时间开销和CPU资源占用。（省时省力）

(2) 实时性要求较高的情况下，由于大量线程预先就创建好了，接到任务就能马上从线程池中调用线程来处理任务，略过了创建线程这一步骤，提高了实时性。（实时）

线程池的实现

待更新。

5 延伸拓展

创建类，除了传递函数外，还可以使用：Lambda表达式、可调用类的实例。
线程与进程：
并发与并行：
并发与并行并不是非此即彼的概念
并发：同一时间发生两件及以上的事情。
线程并不是越多越好，每个线程都需要一个独立的堆栈空间，线程切换也会耗费时间。
并行：

detach()：

未完待续