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thread类常用接口
函数名功能thread()构造一个线程对象#xff0c;没有关联任何线程函数#xff0c;即没有启动任何线程。thread(fn, args1, args2, ...)构造一个线程对象#xff0c;并…C线程库是C11新增的重要的技术之一接下来来简单学习一下吧
thread类常用接口
函数名功能thread()构造一个线程对象没有关联任何线程函数即没有启动任何线程。thread(fn, args1, args2, ...)构造一个线程对象并关联线程函数fnargs1args2...为线程函数的参数。get_id()获取线程id。jionable()线程是否还在执行joinable代表的是一个正在执行中的线程。jion()该函数调用后会阻塞住线程当该线程结束后主线程继续执行。detach()在创建线程对象后马上调用用于把被创建线程与线程对象分离开分离的线程变为后台线程创建的线程的死活就与主线程无关。
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
int main()
{std::thread t1;std::cout t1.get_id() std::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、函数对象。
#includeiostream
#includethread
void ThreadFunc(int a)
{std::cout thread1 a std::endl;
}class TF
{
public:void operator()(){std::cout thread3 std::endl;}
};
int main()
{//线程函数为函数指针std::thread t1(ThreadFunc, 10);//线程函数为lambda表达式std::thread t2([] {std::cout thread2 std::endl; });//线程函数为函数对象TF tf;std::thread t3(tf);t1.join();t2.join();t3.join();std::cout Main thread! std::endl;return 0;
}
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。
并发与并行的区别并发是指多个任务在一时间段内交替执行。并行是指多个任务同时执行每个任务在独立的处理器上执行。
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。
#includeiostream
#includethread
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std::thread t1(threadFunc1, a);t1.join();std::cout a std::endl;// 如果想要通过形参改变外部实参时必须借助std::ref()函数std::thread t2(threadFunc1, std::ref(a));t2.join();std::cout a std::endl;//地址的拷贝std::thread t3(threadFunc2, a);t3.join();std::cout a std::endl;return 0;
}
注意如果是类成员函数作为线程参数时必须将this作为线程函数参数。
原子性操作库(atomic)
多线程最主要的问题是共享数据带来的问题(即线程安全)。如果共享数据都是只读的那么没问 题因为只读操作不会影响到数据更不会涉及对数据的修改所以所有线程都会获得同样的数 据。但是当一个或多个线程要修改共享数据时就会产生很多潜在的麻烦比如
#includeiostream
#includethread
unsigned long sum 0L;void fun(size_t num)
{for (size_t i 0; i num; i){sum;}
}int main()
{std::cout Before joining,sum sum std::endl;std::thread t1(fun, 10000000);std::thread t2(fun, 10000000);t1.join();t2.join();std::cout After joining,sum sum std::endl;return 0;
} C98中传统的解决方式可以对共享修改的数据可以加锁保护
#includeiostream
#includemutex
#includethread
unsigned long sum 0L;
std::mutex _mutex;
void fun(size_t num)
{for (size_t i 0; i num; i){_mutex.lock();sum;_mutex.unlock();}}int main()
{std::cout Before joining,sum sum std::endl;std::thread t1(fun, 10000000);std::thread t2(fun, 10000000);t1.join();t2.join();std::cout After joining,sum sum std::endl;return 0;
} 虽然加锁可以解决但是加锁有一个缺陷就是只要一个线程在对sum时其他线程就会被阻塞会影响程序运行的效率而且锁如果控制不好还容易造成死锁。因此C11中引入了原子操作。所谓原子操作即不可被中断的一个或一系列操作C11引入的原子操作类型使得线程间数据的同步变得非常高效。需要使用以上原子操作变量时必须添加头文件#includeatomic。 #includeiostream
#includethread
#includeatomic
std::atomic_long sum{ 0 };
void fun(size_t num)
{for (size_t i 0; i num; i){sum;}}int main()
{std::cout Before joining,sum sum std::endl;std::thread t1(fun, 10000000);std::thread t2(fun, 10000000);t1.join();t2.join();std::cout After joining,sum sum std::endl;return 0;
} 可以看到在C11中程序员不需要对原子类型变量进行加锁解锁操作线程能够对原子类型变量互斥的访问更为普遍的程序员可以使用atomic类模板定义出需要的任意原子类型
atmoicT t; // 声明一个类型为T的原子类型变量t
注意原子类型通常属于资源型数据多个线程只能访问单个原子类型的拷贝因此在C11 中原子类型只能从其模板参数中进行构造不允许原子类型进行拷贝构造、移动构造以及 operator等为了防止意外标准库已经将atmoic模板类中的拷贝构造、移动构造、赋值运算符重载默认删除掉了。
#include atomic
int main()
{atomicint a1(0);//atomicint a2(a1); // 编译失败atomicint a2(0);//a2 a1; // 编译失败return 0;
}
lock_guard与unique_lock
在多线程环境下如果想要保证某个变量的安全性只要将其设置成对应的原子类型即可即高效又不容易出现死锁问题。但是有些情况下我们可能需要保证一段代码的安全性那么就只能通过锁的方式来进行控制。
比如一个线程对变量number进行加一100次另外一个减一100次每次操作加一或者减一之 后输出number的结果要求number最后的值为1。
#includeiostream
#includemutex
#includethread
#includeatomicstd::mutex _mutex;
int number 0;void threadAdd()
{for (int i 0; i 100; i){_mutex.lock();number;std::cout thread 1: number std::endl;_mutex.unlock();}
}void threadDel()
{for (int i 0; i 100; i){_mutex.lock();--number;std::cout thread 2: number std::endl;_mutex.unlock();}
}
int main()
{std::thread t1(threadAdd);std::thread t2(threadDel);t1.join();t2.join();std::cout number: number std::endl;system(pause);return 0;
}
假设线程 t1 先启动并在执行 _mutex.lock() 之后被线程调度器暂停此时线程 t2 启动并执行 _mutex.lock()。由于 _mutex 是一个互斥锁在 t2 执行期间t1 将会被阻塞等待 t2 释放 _mutex。
然而t2 在执行 --number 之后还没有执行 std::cout 语句即便它现在想要释放 _mutex也无法立即释放因为其他线程正在等待获取该互斥锁。此时t2 会被线程调度器暂停t1 仍然无法继续执行。
这样t1 和 t2 互相等待对方释放互斥锁形成了死锁状态。没有任何线程能够继续执行导致程序被死锁。
因此C11采用RAII的方式对锁进行了封装即lock_guard和unique_lock。
mutex的种类
在C11中Mutex总共包了四个互斥量的种类
1.std::mutex
C11提供的最基本的互斥量该类的对象之间不能拷贝也不能进行移动拷贝或赋值。mutex最常用的三个函数:
函数名函数功能.lock()上锁锁住互斥量.unlock()解锁释放对互斥量的所有权.try_lock()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.
注意事项
⭐当线程调用lock()的时候会有三种情况 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。它会一直等待直到其他线程释放了该互斥量的锁才能继续执行。 如果当前互斥量被当前调用线程锁住再次调用lock操作将导致死锁。这是因为线程已经拥有该互斥量的锁并且不会释放它在这种情况下线程会一直等待自己释放锁从而导致死锁。 ⭐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)。 2. 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。
3. std::timed_mutex
比 std::mutex 多了两个成员函数try_lock_for()try_lock_until() 。 try_lock_for()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()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。 lock_guard
std::lock_gurad 是 C11 中定义的模板类。定义如下
//一般传入的就是互斥锁
templateclass _Mutex
class lock_guard
{
public:// 在构造lock_gard时_Mtx还没有被上锁//explicit禁止隐式转换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C11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)。 condition_variable
在C中也实现了对条件变量的技术支持。条件变量是一种线程同步机制其作用是对一个线程进行阻塞而后当该线程的某些条件满足后就可以进行线程恢复让线程苏醒。
线程阻塞 std::condition_variable::wait 未满足某些条件时阻塞线程。 线程通知 std::condition_variable::notify_all。通知满足该条件的所有线程苏醒。 std::condition_variable::notify_one。通知满足该条件的某一个线程苏醒。 案例
支持两个线程交替打印一个打印奇数一个打印偶数。
#includeiostream
#includemutex
#includethread
#includecondition_variable
//支持两个线程交替打印一个打印奇数一个打印偶数
void two_thread_print()
{std::mutex _mutex;std::condition_variable cv;int n 100;bool flag true;//线程阻塞条件false的时候阻塞线程t1true的时候阻塞线程t2std::thread t1([]() {int i 0;while (i n){std::unique_lockstd::mutex lock(_mutex);//上锁cv.wait(lock, []()-bool {return flag; });//当返回true的时候该线程不会被阻塞std::cout t1: i std::endl;flag false;//条件改变i 2;//偶数cv.notify_one();//唤醒满足条件的线程之一}});std::thread t2([]() {int j 1;while (j n){std::unique_lockstd::mutex lock(_mutex);//上锁cv.wait(lock, []()-bool {return !flag; });//当返回为true的时候该线程不会被阻塞std::cout t2: j std::endl;flag true;//改变条件j 2;//奇数cv.notify_one();//唤醒满足条件的线程}});t1.join();t2.join();
}
int main()
{two_thread_print();return 0;
}
