c++线程--快速上手

线程创建

头文件#include thread 是在 C++11 标准中引入的。

C++11 标准引入了对多线程编程的标准化支持，其中包括了线程的创建、管理和同步机制。

头文件提供了基本的线程支持库，允许开发者直接使用c++线程进行并行编程，而无需依赖操作系统特定的 API

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
void hello() {
  cout << "Hello World from new thread." << endl;
}

int main() {
  thread t(hello);
  t.join();
  return 0;
}

• 为了使用多线程的接口，我们需要#include 头文件。新建线程的入口是一个普通的函数，它并没有什么特别的地方。

• 创建线程的方式就是构造一个thread对象，并指定入口函数。与普通对象不一样的是，此时编译器便会为我们创建一个新的操作系统线程，并在新的线程中执行我们的入口函数。

int main() {
  thread t([] {
    cout << "Hello World from lambda thread." << endl;
  });

  t.join();

  return 0;
}

• 也可以直接使用lambda表达式

join & detach

API	说明
join	等待线程完成其执行
detach	不等待，允许线程独立执行

• join：调用此接口时，当前线程会一直阻塞，直到目标线程执行完成（当然，很可能目标线程在此处调用之前就已经执行完成了，不过这不要紧）。因此，如果目标线程的任务非常耗时，你就要考虑好是否需要在主线程上等待它了，因此这很可能会导致主线程卡住。

• detach：detach是让目标线程成为守护线程（daemon threads）。一旦detach之后，目标线程将独立执行，即便其对应的thread对象销毁也不影响线程的执行。并且，你无法再与之通信。
  
  joinable() 是 C++11 中 std::thread 类的一个成员函数，用于检查一个线程是否可以被 join()。如果线程可以被 join()，则返回 true，否则返回 false。
  
  joinable() 返回 true 的条件：线程对象必须表示一个有效的、尚未被 join() 或 detach() 的线程。

管理当前线程

API	C++标准	说明
yield	C++11	让出处理器，重新调度各执行线程
get_id	C++11	返回当前线程的线程 id
sleep_for	C++11	使当前线程的执行停止指定的时间段
sleep_until	C++11	使当前线程的执行停止直到指定的时间点

上面是一些在线程内部使用的API，它们用来对当前线程做一些控制。

• yield 通常用在自己的主要任务已经完成的时候，此时希望让出处理器给其他任务使用。
• get_id 返回当前线程的id，可以以此来标识不同的线程。
• sleep_for 是让当前线程停止一段时间。
• sleep_until 和sleep_for类似，但是是以具体的时间点为参数。这两个API都以chrono API（由于篇幅所限，这里不展开这方面内容）为基础。
  
  下面是一个代码示例：

void print_time() {
  auto now = chrono::system_clock::now();
  auto in_time_t = chrono::system_clock::to_time_t(now);

  std::stringstream ss;
  ss << put_time(localtime(&in_time_t), "%Y-%m-%d %X");
  cout << "now is: " << ss.str() << endl;
}

void sleep_thread() {
  this_thread::sleep_for(chrono::seconds(3));
  cout << "[thread-" << this_thread::get_id() << "] is waking up" << endl;
}

void loop_thread() {
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    cout << "[thread-" << this_thread::get_id() << "] print: " << i << endl;
  }
}

int main() {
  print_time();

  thread t1(sleep_thread);
  thread t2(loop_thread);

  t1.join();
  t2.detach();

  print_time();
  return 0;
}

这段代码应该还是比较容易理解的，这里创建了两个线程。它们都会有一些输出，其中一个会先停止3秒钟，然后再输出。主线程调用join会一直卡住等待它运行结束。

这段程序的输出如下：

now is: 2019-10-13 10:17:48
[thread-0x70000cdda000] print: 0
[thread-0x70000cdda000] print: 1
[thread-0x70000cdda000] print: 2
[thread-0x70000cdda000] print: 3
[thread-0x70000cdda000] print: 4
[thread-0x70000cdda000] print: 5
[thread-0x70000cdda000] print: 6
[thread-0x70000cdda000] print: 7
[thread-0x70000cdda000] print: 8
[thread-0x70000cdda000] print: 9
[thread-0x70000cd57000] is waking up
now is: 2019-10-13 10:17:51

线程如何一次调用？

主要API

API	C++标准	说明
call_once	C++11	即便在多线程环境下，也能保证只调用某个函数一次
once_flag	C++11	与call_once配合使用

在一些情况下，我们有些任务需要执行一次，并且我们只希望它执行一次，例如资源的初始化任务。

这个时候就可以用到上面的接口。这个接口会保证，即便在多线程的环境下，相应的函数也只会调用一次。

下面就是一个示例：有三个线程都会使用init函数，但是只会有一个线程真正执行它。

void init() {
  cout << "Initialing..." << endl;
  // Do something...
}

void worker(once_flag* flag) {
  call_once(*flag, init);
}

int main() {
  once_flag flag;

  thread t1(worker, &flag);
  thread t2(worker, &flag);
  thread t3(worker, &flag);

  t1.join();
  t2.join();
  t3.join();

  return 0;
}

我们无法确定具体是哪一个线程会执行init。而事实上，我们也不关心，因为只要有某个线程完成这个初始化工作就可以了。

• 请思考一下，为什么要在main函数中创建once_flag flag。如果是在worker函数中直接声明一个once_flag并使用行不行？为什么？

竞争条件与临界区

当多个进程或者线程同时访问共享数据时，只要有一个任务会修改数据，那么就可能会发生问题。

此时结果依赖于这些任务执行的相对时间，这种场景称为竞争条件（race condition）。

访问共享数据的代码片段称之为临界区（critical section）。要避免竞争条件，就需要对临界区进行数据保护。

mutex

mutex 是 mutual exclusion（互斥）的简写。

开发并发系统的目的主要是为了提升性能：将任务分散到多个线程，然后在不同的处理器上同时执行。这些分散开来的线程通常会包含两类任务：

1. 独立的对于划分给自己的数据的处理
2. 对于处理结果的汇总

第1项任务因为每个线程是独立的，不存在竞争条件的问题。

而第2项任务，由于所有线程都可能往总结果（例如 sum 变量）汇总，这就需要做保护了。

在某一个具体的时刻，只应当有一个线程更新总结果，即：保证每个线程对于共享数据的访问是“互斥”的。mutex 就提供了这样的功能。

mutex 是 mutual exclusion（互斥）的简写。

API	C++标准	说明
mutex	C++11	提供基本互斥设施
timed_mutex	C++11	提供互斥设施，带有超时功能
recursive_mutex	C++11	提供能被同一线程递归锁定的互斥设施
recursive_timed_mutex	C++11	提供能被同一线程递归锁定的互斥设施，带有超时功能
shared_timed_mutex	C++14	提供共享互斥设施并带有超时功能
shared_mutex	C++17	提供共享互斥设施

在这些类中，mutex 是最基础的 API。其他类都是在它的基础上的改进。

这些类都提供了下面三个方法，并且它们的功能是一样的：

基本方法

方法	说明
lock	锁定互斥体，如果不可用，则阻塞
try_lock	尝试锁定互斥体，如果不可用，直接返回
unlock	解锁互斥体

这三个方法提供了基础的锁定和解除锁定的功能。

使用 lock 意味着你有很强的意愿一定要获取到互斥体，而使用 try_lock 则是进行一次尝试。

在这些基础功能之上，其他的类分别在下面三个方面进行了扩展：

超时：timed_mutex，recursive_timed_mutex，shared_timed_mutex的名称都带有timed，这意味着它们都支持超时功能。

它们都提供了try_lock_for和try_lock_until方法，这两个方法分别可以指定超时的时间长度和时间点。如果在超时的时间范围内没有能获取到锁，则直接返回，不再继续等待。

可重入：recursive_mutex和recursive_timed_mutex的名称都带有recursive。可重入或者叫做可递归，是指在同一个线程中，同一把锁可以锁定多次。这就避免了一些不必要的死锁。

共享：shared_timed_mutex和shared_mutex提供了共享功能。对于这类互斥体，实际上是提供了两把锁：一把是共享锁，一把是互斥锁。一旦某个线程获取了互斥锁，任何其他线程都无法再获取互斥锁和共享锁；但是如果有某个线程获取到了共享锁，其他线程无法再获取到互斥锁，但是还有获取到共享锁。这里互斥锁的使用和其他的互斥体接口和功能一样。而共享锁可以同时被多个线程同时获取到（使用共享锁的接口见下面的表格）。共享锁通常用在读者写者模型上。

方法	说明
lock_shared	获取互斥体的共享锁，如果无法获取则阻塞
try_lock_shared	尝试获取共享锁，如果不可用，直接返回
unlock_shared	解锁共享锁

使用 mutex 的并发系统

通过将锁保护的范围缩小到只在汇总时锁定，可以提升性能：

#include <iostream>
#include <cmath>
#include <thread>
#include <vector>
#include <mutex>
#include <chrono>

static const int MAX = 10e8;
static double sum = 0;
static std::mutex exclusive;

void concurrent_worker(int min, int max) {
    double tmp_sum = 0;
    for (int i = min; i <= max; i++) {
        tmp_sum += std::sqrt(i);  // ① 计算单独结果
    }
    exclusive.lock();  // ② 只在汇总时加锁
    sum += tmp_sum;
    exclusive.unlock();
}

输出结果：

hardware_concurrency: 16
Concurrent task finish, 451 ms consumed, Result: 2.10819e+13

可以看到，性能得到了极大的提升。

锁的粒度

• 细粒度（fine-grained）：锁保护较小的范围，性能更好。
• 粗粒度（coarse-grained）：锁保护较大的范围，容易导致性能瓶颈。

最佳实践：尽量减少锁的范围，不要在持有锁的情况下执行耗时操作。

> In general, a lock should be held for only the minimum possible time needed to perform the required operations.
> –《C++ Concurrency in Action》

通用锁定算法

主要API

API	C++标准	说明
lock	C++11	锁定指定的互斥体，若任何一个不可用则阻塞
try_lock	C++11	试图通过重复调用 try_lock 获得互斥体的所有权

要避免死锁，需要仔细思考和设计业务逻辑。

有一个比较简单的原则可以避免死锁：对所有的锁进行排序，每次一定要按照顺序来获取锁，不允许乱序。

例如：要获取某个玩具，一定要先拿到锁A，再拿到锁B，才能玩玩具。这样就不会死锁了。

这个原则虽然简单，但却不容易遵守，因为数据常常是分散在很多地方的。

不过好消息是，C++11标准中为我们提供了一些工具来避免因为多把锁而导致的死锁。我们只要直接调用这些接口就可以了。

这个就是上面提到的两个函数。它们都支持传入多个 Lockable 对象。

接下来我们用它来改造之前死锁的转账系统：

// 10_improved_bank_transfer.cpp

bool transferMoney(Account* accountA, Account* accountB, double amount) {
    lock(*accountA->getLock(), *accountB->getLock());    // ①
    lock_guard lockA(*accountA->getLock(), adopt_lock);  // ②
    lock_guard lockB(*accountB->getLock(), adopt_lock);  // ③

    if (amount > accountA->getMoney()) {
        return false;
    }

    accountA->changeMoney(-amount);
    accountB->changeMoney(amount);
    return true;
}

这里只改动了3行代码。

• 这里通过lock函数来获取两把锁，标准库的实现会保证不会发生死锁。
• lock_guard在下面我们还会详细介绍。这里只要知道它会在自身对象生命周期的范围内锁定互斥体即可。
  
  创建lock_guard的目的是为了在transferMoney结束的时候释放锁，lockB也是一样。
  
  但需要注意的是，这里传递了 adopt_lock表示：现在是已经获取到互斥体了的状态了，不用再次加锁（如果不加adopt_lock就是二次锁定了）。

通用互斥管理

互斥体（mutex相关类）提供了对于资源的保护功能，但手动锁定（调用 lock 或 try_lock）和解锁（调用 unlock）互斥体需要耗费较大的精力。

我们需要精心设计代码以确保解锁和加锁配对，因为如果某个路径导致获取锁后没有正常释放，会影响整个系统。此外，异常抛出也会使代码复杂化。

鉴于此，标准库提供了上述这些API。它们使用了RAII编程技巧，简化了手动加锁和解锁的过程。

RAII 可总结如下:

将每个资源封装入一个类，其中：

构造函数请求资源，并建立所有类不变式，或在它无法完成时抛出异常，

析构函数释放资源并决不抛出异常；

始终经由 RAII 类的实例使用满足要求的资源，该资源自身拥有自动存储期或临时生存期，或具有与自动或临时对象的生存期绑定的生存期

API	C++标准	说明
lock_guard	C++11	实现严格基于作用域的互斥体所有权包装器
unique_lock	C++11	实现可移动的互斥体所有权包装器

锁定策略	C++标准	说明
try_to_lock	C++11	类型为 try_to_lock_t，尝试获得互斥的所有权而不阻塞

#include <thread>
#include <mutex>
#include <iostream>

int g_i = 0;
std::mutex g_i_mutex;  // ①

void safe_increment()
{
  std::lock_guard<std::mutex> lock(g_i_mutex);  // ②
  ++g_i;

  std::cout << std::this_thread::get_id() << ": " << g_i << '\n';
  // ③
}

int main()
{
  std::cout << "main: " << g_i << '\n';

  std::thread t1(safe_increment); // ④
  std::thread t2(safe_increment);

  t1.join();
  t2.join();

  std::cout << "main: " << g_i << '\n';
}

这段代码中：

全局的互斥体g_i_mutex用来保护全局变量g_i这是一个设计为可以被多线程环境使用的方法。因此需要通过互斥体来进行保护。

这里没有调用lock方法，而是直接使用lock_guard来锁定互斥体。在方法结束的时候，局部变量std::lock_guard<std::mutex> lock会被销毁，它对互斥体的锁定也就解除了。

条件变量

API	C++标准	说明
condition_variable	C++ 11	提供与 std::unique_lock 关联的条件变量

条件变量提供了一个可以让多个线程间同步协作的功能。这对于生产者-消费者模型很有意义。在这个模型下：

生产者和消费者共享一个工作区。这个区间的大小是有限的。

生产者总是产生数据放入工作区中，当工作区满了。它就停下来等消费者消费一部分数据，然后继续工作。

消费者总是从工作区中拿出数据使用。当工作区中的数据全部被消费空了之后，它也会停下来等待生产者往工作区中放入新的数据。

从上面可以看到，无论是生产者还是消费者，当它们工作的条件不满足时，它们并不是直接报错返回，而是停下来等待，直到条件满足。

void changeMoney(double amount) {
    unique_lock lock(mMoneyLock); // ②
    mConditionVar.wait(lock, [this, amount] { // ③
      return mMoney + amount > 0; // ④
    });
    mMoney += amount;
    mConditionVar.notify_all(); // ⑤
}

在调用 wait() 函数之前需要加锁，主要是因为：

如果没有加锁，多个线程可能在没有同步的情况下同时检查条件****，从而导致多个线程错误地认为条件已经满足并继续执行。

1. 加锁操作 (unique_lock lock(mMoneyLock);)：
   
   在第②行中，创建了一个 std::unique_lock 对象 lock，并且立即对 mMoneyLock 进行加锁。这是标准的加锁操作，它确保后续的临界区代码（即对共享资源 mMoney 的修改）是线程安全的。

2. wait() 函数 (mConditionVar.wait(lock, ...);)：
   
   在第③行，wait() 函数是用来等待某个条件满足的，在条件满足之前，当前线程会阻塞并释放 lock 持有的锁，以允许其他线程获得锁。

   • 锁释放：wait() 函数在阻塞当前线程时，会自动释放 unique_lock 所持有的 mMoneyLock，从而避免其他线程无法获取锁并造成死锁。
   • 重新加锁：一旦条件满足（即 lambda 函数返回 true，条件为 mMoney + amount > 0），wait() 会重新加锁 mMoneyLock，然后继续执行后续的代码。

3. 临界区代码：
   
   在条件变量 wait() 成功返回之后，unique_lock 再次持有 mMoneyLock，这时线程进入临界区（即对 mMoney 的修改），并且执行对 mMoney 的操作。

4. 通知操作 (notify_all())：
   
   在第⑤行，执行 mConditionVar.notify_all() 通知其他等待线程，告诉它们某个条件可能已经发生了变化，让它们重新检查条件。

• 加锁解锁的行为：std::condition_variable::wait() 函数在等待期间会释放锁，只有在条件满足时才会重新加锁并继续执行。因此，不存在重复上锁的情况。
• 锁的管理：std::unique_lock 管理了整个过程的加锁和解锁行为，避免了手动管理锁的复杂性，并确保在需要时锁是正确的被持有。

异步机制

API	C++标准	说明
async	C++11	异步运行一个函数，并返回保有其结果的 std::future
future	C++11	等待被异步设置的值
很多语言都提供了异步的机制。异步使得耗时的操作不影响当前主线程的执行流。

std::async 和 线程 (std::thread) 都是 C++ 中的并发机制，但它们有不同的使用方式、灵活性和处理方式。让我们来详细比较一下它们之间的区别。

• 抽象层级

• std::async：更高层次的抽象。它封装了线程的创建和管理，并且返回一个 std::future，允许用户轻松地获取异步任务的结果。async 不需要直接与线程打交道，主要关注任务的执行和结果。
• std::thread：较低层次的抽象。它直接代表一个独立的线程。你需要手动创建线程，并决定如何管理它的生命周期（通过 join() 或 detach() 等操作）。它更灵活，但需要更多的管理工作。