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。
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