【C++11】线程

本篇文章更多的是熟悉一下C++11的线程库接口，与linux的相关线程接口是非常相似的，更多的是将面向过程改为了面向对象。
并没有一些概念的讲解。
想知道线程的相关概念的可以看一看这篇文章及后续

在C++11之前，涉及到多线程问题，都是和平台相关的，
比如windows和linux下各有自己的接口，这使得代码的可移植性比较差。
C++11中最重要的特性就是对线程进行支持了，使得C++在并行编程时不需要依赖第三方库，而且在原子操作中还引入了原子类的概念。要使用标准库中的线程，必须包含< thread >头文件。

线程接口：
- 构造：
- 常用接口：
- 线程函数参数：
- 具体实践：
- - 创建线程的方法：
  - 创建多线程的方法：
- this_thread：
- - get_id：
  - yeild:
互斥锁：
- 锁的接口：
- 锁的使用：
- 其他的锁：
- lock_guard：
- unique_lock：
条件变量：

线程接口：

构造：

首先我们来看构造，他有无参构造，带参构造（模板+万能引用+多参数模板），移动构造，却没有拷贝构造，
在这里插入图片描述
没有拷贝构造的原因在于

常用接口：

在这里插入图片描述
注意：

线程是操作系统中的一个概念，线程对象可以关联一个线程，用来控制线程以及获取线程的状态。
当创建一个线程对象后，没有提供线程函数，该对象实际没有对应任何线程。

#include <thread>
int main()
{std::thread t1;cout << t1.get_id() << endl;return 0;
}

get_id()的返回值类型为id类型，id类型实际为std::thread命名空间下封装的一个类，该类中包含了一个结构体：

// vs下查看
typedef struct
{ /* thread identifier for Win32 */void *_Hnd; /* Win32 HANDLE */unsigned int _Id;
} _Thrd_imp_t;

当创建一个线程对象后，并且给线程关联线程函数，该线程就被启动，与主线程一起运行。
线程函数一般情况下可按照以下三种方式提供：
-函数指针
-lambda表达式
-仿函数
thread类是防拷贝的，不允许拷贝构造以及赋值，但是可以移动构造和移动赋值，即将一个线程对象关联线程的状态转移给其他线程对象，转移期间不意向线程的执行。
可以通过jionable()函数判断线程是否是有效的，如果是以下任意情况，则线程无效:

采用无参构造函数构造的线程对象
线程对象的状态已经转移给其他线程对象
线程已经调用jion或者detach结束

线程函数参数：

线程函数的参数是以值拷贝的方式拷贝到线程栈空间中的，因此：即使线程参数为引用类型，在线程中修改后也不能修改外部实参，因为其实际引用的是线程栈中的拷贝，而不是外部实参。

void ThreadFunc1(int& x)
{x += 10;
}
void ThreadFunc2(int* x)
{*x += 10;
}
int main()
{int a = 10;// 在线程函数中对a修改，不会影响外部实参，因为：线程函数参数虽然是引用方式，但其实际引用的是线程栈中的拷贝thread t1(ThreadFunc1, a);t1.join();cout << a << endl;// 如果想要通过形参改变外部实参时，必须借助std::ref()函数thread t2(ThreadFunc1, std::ref(a);t2.join();cout << a << endl;// 地址的拷贝thread t3(ThreadFunc2, &a);t3.join();cout << a << endl;return 0;
}

那我们怎么理解多个线程执行同一个函数，因为每个线程都有独立的栈，所以虽然是同一个函数，却在不同的栈建立栈帧。

具体实践：

创建线程的方法：

由于可以使用lambda,我们选择直接使用lambda作为线程函数。

int main()
{thread t1([](int x)->void{for (int i = 0; i < x; i++){cout << " I am Thraed-1" << endl;}}, 10);thread t2([](int x)->void{for (int i = 0; i < x; i++){cout << " I am Thraed-2" << endl;}}, 20);t1.join();t2.join();return 0;
}

创建多线程的方法：

上段代码过于冗余，如果我们要创建更多但是功能相近的线程函数，该如何操作呢？
使用vector + thread无参构造即可轻松管理多线程。

在这里插入图片描述
注意：这里有一个细节，我们在循环体内应慎用lambda全部引用捕捉，如果上图代码采取引用捕捉，由于我们在lambda中使用了i这个for循环内部的控制变量，有可能还没有开始执行lambda，但是循环却已经结束，i到了5，导致数组越界从而报错。

this_thread：

为啥要看这个东西？因为很有用！
注意：这是std作用域中的this_thread域，里面有一些如下函数：
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
我们在创建线程时，如果需要有在lambda内打印id的需求，我们是没有办法打印出来的，即使我们的thread提供了get_id函数。
这是因为t1对象还没有构建好。

那我们怎么获取？
就在这个命名空间内，有以上4个函数。

get_id：

在这里插入图片描述
这样即可在构建时得到对应的id。

yeild:

对于这个接口我们目前了解一下即可。

这是啥呢？
这是让出当前线程时间片的一个接口（对于OS的一个建议）。
例子：

假设你正在一个繁忙的办公室工作，你和同事都需要使用同一台打印机。为了公平起见，你们约定每个人每次只能使用打印机一分钟。现在，你正在打印一个文件，但你发现文件很长，一分钟内肯定打印不完。这时，你看到旁边有几位同事也在等着打印急件，他们看起来比你还着急。
于是，你决定做一个礼貌的举动：你暂时放下自己的打印任务，让出打印机给其他人使用。这就像是在说：“我还有很多页要打印，但我可以先等等，你们先用吧。”这就是std::this_thread::yield函数在多线程环境中的作用——它让当前线程“礼让”，给其他线程一个运行的机会。

一般在无锁编程（无锁编程指的是少用锁，因为效率低）中出现。那么这就要提一提CAS（cmpare_and_swap）了。

也就是原子操作。
比如我们的i++在汇编层面是至少3条语句：（拿出i，进行修改，放回内存）。
这就导致在多线程时出现线程安全，于是就衍生出了原子操作，这是由硬件直接支持好的，也就是只有一条汇编语句，不存在线程安全的问题，

对于线程安全来说，软件层面有很多方式，比如锁，原子操作…但是这些各种各样的方式都离不开硬件的支持。

这两种方法我们随后都会涉及到。

关于sleep_until是休眠到一个绝对时间，
而sleep_for是休眠你指定的时间，原理是比较复杂的，需要的时候直接看文档copy代码即可。

互斥锁：

当我们对一个全局变量i进行多线程++时，线程安全就毫无意外的出现了。

所以我们需要进行加锁。

锁的接口：

这里我们只关注常用的lock与unlock即可

锁是不可拷贝的。
在这里插入图片描述
注意，线程函数调用lock()时，可能会发生以下三种情况：

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
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
如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)

线程函数调用try_lock()时，可能会发生以下三种情况：

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
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
如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)

锁的使用：

注意放锁的位置即可。

int x = 0;
mutex mtx;
void func(int n)
{for (int i = 0; i < n; i++){mtx.lock();x++;mtx.unlock();}
}int main()
{size_t begin = clock();thread t1(func, 100000);thread t2(func, 500000);t1.join();t2.join();size_t end = clock();cout << x << endl;cout << end - begin << endl;return 0;
}

但是注意：
上下段两段代码哪个效率高？

void func(int n)
{mtx.lock();for (int i = 0; i < n; i++){x++;}mtx.unlock();
}

答案是下段高，为什么下段明明是串行却比上段的部分串行效率高？
在这里插入图片描述
这与我们学习到的要尽可能的细粒度加锁不太对劲啊。

原因有二：

频繁的lock与unlock
i++太快了，当t1线程抢到锁，t2刚去阻塞，但是由于++太快了，导致刚去阻塞就又回来了，导致频繁的上下文切换。

其他的锁：

std::recursive_mutex

其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，释放互斥量时需要调用与该锁层次深度相同次数的 unlock()，除此之外，std::recursive_mutex 的特性和 std::mutex 大致相同。

std::timed_mutex

比 std::mutex 多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until() 。
for是锁你指定的时间，until是锁到你指定的时间。

std::recursive_timed_mutex

上述两个锁的特性相加。

lock_guard：

template<class _Mutex>
class lock_guard
{
public:// 在构造lock_gard时，_Mtx还没有被上锁explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx): _MyMutex(_Mtx){_MyMutex.lock();}// 在构造lock_gard时，_Mtx已经被上锁，此处不需要再上锁lock_guard(_Mutex& _Mtx, adopt_lock_t): _MyMutex(_Mtx){}~lock_guard() _NOEXCEPT{_MyMutex.unlock();}lock_guard(const lock_guard&) = delete;lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:_Mutex& _MyMutex;
};

通过上述代码可以看到，lock_guard类模板主要是通过RAII的方式，对其管理的互斥量进行了封装，在需要加锁的地方，只需要用上述介绍的任意互斥体实例化一个lock_guard，调用构造函数成功上锁，出作用域前，lock_guard对象要被销毁，调用析构函数自动解锁，可以有效避免死锁问题。

lock_guard的缺陷：太单一，用户没有办法对该锁进行控制，因此C++11又提供了unique_lock。

unique_lock：

与lock_gard类似，unique_lock类模板也是采用RAII的方式对锁进行了封装，并且也是以独占所有权的方式管理mutex对象的上锁和解锁操作，即其对象之间不能发生拷贝。

在构造(或移动(move)赋值)时，unique_lock 对象需要传递一个 Mutex 对象作为它的参数，新创建的unique_lock 对象负责传入的 Mutex 对象的上锁和解锁操作。使用以上类型互斥量实例化

unique_lock的对象时，自动调用构造函数上锁，unique_lock对象销毁时自动调用析构函数解锁，可以很方便的防止死锁问题。

与lock_guard不同的是，unique_lock更加的灵活，提供了更多的成员函数：

上锁/解锁操作：lock、try_lock、try_lock_for、try_lock_until和unlock
修改操作：移动赋值、交换(swap：与另一个unique_lock对象互换所管理的互斥量所有权)、释放(release：返回它所管理的互斥量对象的指针，并释放所有权)
获取属性：owns_lock(返回当前对象是否上了锁)、operator bool()(与owns_lock()的功能相同)、mutex(返回当前unique_lock所管理的互斥量的指针)。