c++ 多线程学习笔记

csdn地址:http://blog.csdn.net/dr_bin/article/details/53782669

ch 1 课程简介

• 包含的头文件 'thread'

linux 下 g++ 编译的时候加上参数 -lpthear,否则会报 undefined reference to `pthread_create' 错误

• 线程创建的前提:给线程对象传递一个可调用对象作为参数
• 创建线程的方法：thread t1(functionName); //functionName为待执行的函数
• 启动线程的方法: 1. t1.join() //主线程会等待t1线程执行完毕后才会退出。 2. t1.detach(); //主线程执行完毕就会退出，可能导致t1线程没有执行完成就退出了
• 任何线程在 detach() 之后就不能在 join()了。

void fun(){ do something;}
int main(){
	thread t1(fun);
	t1.detach();
	t1.join();    //禁止会报错。
	return 0;
} 

• 线程在join() 之前可以判断是不是可以被 join(), 使用 joinable() 方法,来保证程序的正常.

int main(){
	thread t 1(fun);
	t1.detach();
	if(t1.joinable()){
		t1.join();
	}
	return 0;
}

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====================

ch2 线程管理

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• 主线程可以和子线程同时执行业务逻辑，eg:

int main(){
	std::thread t1(fun);
	for(int i = 0; i < 10; i++){
		//如果发生异常，则主程序中断，子程序也会中断
		std::cout << "in main thread" << std::endl;
	}
	t1.join();    //不安全线程
}

但就像上面的代码，如果主程序的for循环中出现异常的话，主线程就中断了，导致的结果是 子线程也会意外中断。为了防止这种不正常的结束，需要对可能出现异常的地方用try/catch 包围。

int main(){
	std::thread t1(fun);
	try{
		for(int i = 0; i < 10; i++){
			//如果发生异常，则主程序中断，子程序也会中断
			std::cout << "in main thread" << std::endl;
		}
	}catch(...)    //... 代表任意类型的异常
	{
		t1.join();
		throw; //将错误往上抛
	}
	t1.join();    //这段代码如果不写这句就会报错，是为什么？
}

• 线程不止可以被函数构造，还可以通过任何可被调用的对象构造。创建这样一个类:

class Fctor{
public:
	void operator()(){ //这个名字是不是一定的？两个括号是什么意思？
		for(int i = 0; i > -10; i--){
			std::cout << "for ft1" << i << std::endl;
		}
	}
};
int main(){
	Fctor ft1;    //实例化对象
	std::thread t1(ft1);    //通过对象构造线程
	std::thread t1((Fctor()));    //和上述方法完全等效的另一种构造方式。这种方式叫什么呢？ //java中叫匿名函数
	try{
		for(int i = 0; i < 10; i++){
			//如果发生异常，则主程序中断，子程序也会中断
			std::cout << "in main thread" << std::endl;
		}
	}catch(...)    //... 代表任意类型的异常
	{
		t1.join();
		throw; //将错误往上抛
	}
	t1.join();
}

• 向线程传递参数 修改class中的 operator()()的参数以及主函数。

#include <string>
class Fctor{
public:
	void operator()(std::string args){
		for(int i = 0; i > -10; i--){
			std::cout << "for ft1" << args << std::endl;
		}
	}
};
int main(){
	string s = "i love you";
	Fctor ft1;    //实例化对象时不用传递参数
	std::thread t1(ft1, s);    //参数是在线程创建的时候向线程传递的
	
	std::thread t1((Fctor()), s);   
	try{
		for(int i = 0; i < 10; i++){
			std::cout << "in main thread" << std::endl;
		}
	}catch(...)    //... 代表任意类型的异常
	{
		t1.join();
		throw; //将错误往上抛
	}
	t1.join();
}
执行上述代码，可以清楚的得到结果，成功的往线程里传递了参数。

• 线程的引用传参 有时候我们为了节省空间，提高效率，会采用引用的方式传递参数

这段代码在我的电脑上执行会报错，windous下可以执行	
#include <string>
class Fctor{
public:
	void operator()(std::string& args){
		for(int i = 0; i > -10; i--){
			std::cout << "for ft1" << args << std::endl;
			args = "i don't love you";
		}
	}
};
int main(){
	string s = "i love you";
	Fctor ft1;    //实例化对象时不用传递参数
	std::thread t1(ft1, s);    //参数是在线程创建的时候向线程传递的
	
	std::thread t1((Fctor()), s);   
	try{
		for(int i = 0; i < 10; i++){
			std::cout << "in main thread" << std::endl;
		}
	}catch(...)    //... 代表任意类型的异常
	{
		t1.join();
		throw; //将错误往上抛
	}
	t1.join();
	
	std::cout << "in main,s is:" << s << std::endl;
}
执行上述程序，可以看到，s并没有在线程中被更改，此处还是复制传参。


正确引用传递参数的方法是：  std::thread t1((Fctor()), std::ref(s));

• 线程间数据的移动 有时候我们不想在两个线程之间共享数据，因为则会导致数据的同步问题，例如上面，我只想将主线程中创建的 string s; 只让线程 t1 使用，此时就要用数据移动。并且在C++中有的对象只能被移动，不能被复值。如:线程对象(thread t1 = t1是不行的)。

#include <string>
class Fctor{
public:
	void operator()(std::string& args){    //教程上给的是引用传参，但我自己的不能使用引用传参，必须使用复制传参，如果这里编译通不过的可以把引用去掉试试。
		for(int i = 0; i > -10; i--){
			std::cout << "for ft1" << args << std::endl;
			args = "i don't love you";
		}
	}
};
int main(){
	string s = "i love you";
	std::thread t1((Fctor()), std::move(s));       //通过move把 s 移动到线程 t1。
	try{
		for(int i = 0; i < 10; i++){
			std::cout << "in main thread" << std::endl;
		}
	}catch(...)    //... 代表任意类型的异常
	{
		t1.join();
		throw; //将错误往上抛
	}
	t1.join();
	
	std::cout << "in main,s is:" << s << std::endl;  //因为参数已经移动到线程 t1  所以此处的s输出便为空。
}

• 线程的移动 线程是不能被复制的，只能移动。

std::thread t2 = std::move(t1);  //移动后 t1 为空。

• 线程的id 每个线程都有一个唯一的id，可以获取：this_thread::get_id();获取当前线程的id。
• 最大线程数 在写并发编程的时候，要考虑cup的性能，频率等。不能一味的就创建尽量多的线程。std::thread::hardware_concurrency()可以获取cup可支持的最大线程数。

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ch3 数据竞争和互斥

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• 线程间的竞争 多个线程之间会争夺同一资源

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
void function_1(){
    for (int i = 0; i < 100; ++i) {
	cout <<  "from t1:" << i << endl;  //线程 t1 使用cout
    }
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    thread t1(function_1);
    for(int i = 0; i > -100; i--){
	cout << "for main:" << i << endl;  //线程 main 使用cout
    }
    t1.join();
    return 0;
}
可以看到，输出的结果杂乱无章，很多输出还是被从中间截断了的。因为两个线程同时在抢夺 cout 资源。

• 使用互斥锁保持数据完整 可以使用mutex对象提供的锁方法来锁定在使用中的数据。

#include<mutex>
mutex mu;    //实例化锁对象
void share_print(string msg, int id){    //共享函数
mu.lock();    //加锁
cout << msg << id << endl;
mu.unlock();    //释放锁
}
void function_1(){
for (int i = 0; i < 100; ++i) {
    	share_print("from t1:", i);    //调用共享和函数
		}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    thread t1(function_1);
    for(int i = 0; i > -100; i--){
	cout << "for main:" << i << endl;  //线程 main 使用cout
    }
    t1.join();
    return 0;
}
//执行完毕，可以看到 t1线程里面句子都完整的输出，不会被打乱，但主线程里面的还是会被打乱，因为主线程的没有加锁。将主线程中的cout换成调用函数就能完整了。

• 使用互斥锁的缺陷 == 如果在加锁的范围内出现了异常，那么锁将永远不会被解开。 == 为了解决上述问题，需要改进lock();

#include<mutex>
mutex mu;    //实例化锁对象
void share_print(string msg, int id){    //共享函数
//mu.lock();    不使用mu.lock() 加锁。
lock_guard<mutex> guard(mu);    //把锁工具 mu 交给guard对象控制，当guard对象销毁的时候，会自动解说。这样就避免了在加锁期间出现异常，无法解锁而造成死锁的问题。
cout << msg << id << endl;
// mu.unlock();    锁会由guard对象自动释放
}
然而这样还是没能完整的保护好，因为cout是个全局对象，不是所有的cout都能不使用参与竞争。

• 构造对象保护 为了解决上述问题，我们可以构造出一个对象来对需要保护的对象进行全方位的保护。

class LockFile    //确保同时只有一个线程能操作这个文件,该对象是f文件能访问的唯一通道。
{
private:
    ofstream f;
    mutex m_mu;

public:
    LockFile(){
	 f.open("log.txt");
    }
    void share_print(string id, int vaue){    //真正起作用的事这个方法,这个方法保护了文件
	  lock_guard<mutex> guard(m_mu);
	  f << "from" << id << ":" << vaue << endl; 
    }
}; 

void function_1(LockFile& lockfile){    //访问文件必须通过锁对象
        for (int i = 0; i < 100; ++i) {
    	    lockfile.share_print("from t1:", i);
     	}
}

int main(int argc, char *argv[])
{
LockFile lockfile;
thread t1(function_1,ref(lockfile))
    for(int i = 0; i > -100; i--){
    	lockfile.share_print("main", i);    //访问文件必须通过锁对象
    }
    t1.join();
    return 0;
}
使用锁对象来保护文件是个很不错的方式,但需要注意的是,锁对象不能将受保护对象返回到外面,也不能将受保护对象作为函数参数;eg:
	fstream& LockFile::getFile(){return f;}
	void LockFile::doSomething(void fun(ofstream&)){
		fun(f);
	}

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死锁

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• 死锁的产生: 有时候我们需要同时使用两把或则以上的锁,如果锁的使用顺序不同,第一个线程获得了第一把锁,第二个线程获得了第二把锁,那么就会导致第一个线程等待第二个线程解开第二把锁,而第二个线程又在等待第一个线程解开第一把锁.这样就形成了死锁.

class LockFile{
  void share_print(string id, int vaue){
	// this_thread::sleep_for(chrono::microseconds(10));
	lock_guard<mutex> guard(m_mu);
	lock_guard<mutex> guard2(m_mu2);
	cout << "from" << id << ":" << vaue << endl; 
     }
     //上下两个方法同时使用了两把锁锁同一个文件,并且两把锁的获取顺序不同
   void share_print2(string id, int vaue){
	// this_thread::sleep_for(chrono::microseconds(10));
	lock_guard<mutex> guard2(m_mu2);
	lock_guard<mutex> guard(m_mu);
	cout << "from" << id << ":" << vaue << endl; 
    }
};

void function_1(LockFile &lockfile){
	for(int i = 0; i < 100; i++){
		lockfile.shart_print("t1", i);    //t1调用的事 share_print()
	}

}

int main(){
LockFile lockfile;
thread t1(function_1, ref(lockfile))
for(int i = 0; i < 100; i++){
    lockfile.share_print2("main", i);    //main函数调用的是share_print2()
    }
}
执行以上代码,可能会出现卡死

• 解决和避免死锁 1. 当使用两把或者以上锁的时候,留意调用的顺序. 2. 当在使用锁的期间,尽量不要调用其他不明函数,除非你能保证这个函数里面没有任何的锁 3. 当必须要使用两把或者以上的锁的时候,可以调用C++函数库提供的 std::lock()来保证锁的顺序.

    lock(m_mu, m_mu2);    //std::lock() 保证锁的顺序
    lock_guard<mutex> guard(m_mu, adopt_lock);    //目前还不是太明白后面一个参数的意思,大体上是:如果不加第二个参数,则guard对象会进行加锁和解锁操作,如果加了第二个参数,表示但前线程已经获得锁,只需要执行解锁操作.
    lock_guard<mutex> guard2(m_mu2, adopt_lock);

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ch5 uniqueLock 和 lazy Initialization

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• unique Lock 除了使用guard_lock 来创建锁,我们还可以用 unique_lock来创建锁,并且 unique_lock 具有更高的灵活性.然而==牺牲的是性能.==

void share_print(string id, int vaue){
 	unique_lock<mutex> locker(m_mu);
    cout << "from" << id << ":" << vaue << endl; 
    locker.unlock();    //unique_lock 可以提前解锁
    //...    其他逻辑代码
}
使用 unique_lock可以提前解锁.然后执行其他逻辑代码.

也可以在想加锁的地方再加锁,而不是创建对象就加锁

void share_print(string id, int vaue){
    unique_lock<mutex> locker(m_mu, defer_lock);    //defer_lock表示不上锁
    cout << "你好,我";
    this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(1));
    cout << "知道逆会断" << endl;
    locker.lock();
    cout << "from " << id;
    this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(20));  //此处即使休眠,也不会断开,使得其他线程可以使用这部分
    cout << ":" << vaue << endl; 
    locker.unlock();    //unique_lock 可以提前解锁
    //...    其他逻辑代码
}
解锁之后还可以再次调用locker.lock();

lock_guard 与 unique_lock的区别

1. lock_guard 和unique_lock 都不可以被复制,但是 unique_lock 可以被转移,但是lock_gurad 不可以
2. lock_guard 不可以重复的加解锁

unique_lock<mutex> locker2 = std::mive(locker);

• lazy initlialization 在之前我们创建的LockFile 类中, 每实例化一个对象,就打开一次文件,显然,这是不必要,因此,我们因该在有需要的时候才去打开.所以我们改造一下我们的类,使得文件只被打开一次

void share_print(string id, int vaue){
    if(!f.is_open()){
        unique_lock<mutex> locker2(m_mu2);    //为防止多个线程同时打开一个文件,得加锁.
        f.open("log.txt");
    }
    unique_lock<mutex> locker(m_mu);
    cout << "from " << id << ":" << vaue << endl; 
}

然而上述的加锁也不是安全的线程:如果一个线程刚进入if代码块,就被剥夺了cup权利,另一个线程进来,顺利的把文件打开了,此时第一个线程又获得了cup权利,那么就会导致这个文件打开两次.因此,正确的锁方法是锁住 ==f.is_open()==

然而这样还是会有一些新问题的.比如,每次程序调用share_print() 的时候都会去判断文件是不是被打开,还要创建个锁来保护这段判断代码的执行,这纯粹的是在消耗计算机的资源,并且做着无用.因此我们需要跟好的方法来解决这个问题.

class LockFile 
{
private:
    ofstream f;
    mutex m_mu;
    once_flag m_flag;
public:
    LockFile(){
    }
    void share_print(string id, int vaue){
	call_once(m_flag, [&]{f.open("log.txt");});    //文件只被打开一次,C++11一下不支持lambda
	unique_lock<mutex> locker(m_mu);
	cout << "from " << id << ":" << vaue << endl; 
    }
};

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ch6 条件变量

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假设有如下程序

#include<functional>
#include <iostream>
#include<mutex>
#include<string>
#include<thread>
#include<fstream>
#include<deque>
using namespace std;

std::deque<int> q;    //全局队列
mutex mu;


void fun1(){
    int count = 10;
    while(count > 0){
		std::unique_lock<mutex> locker1(mu);
		q.push_front(count);
		locker1.unlock();
		this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(20));
		count--;
    }
}

void fun2(){
    int data = 0;
    while(data != 1){
		std::unique_lock<mutex> locker2(mu);
		cout << "正在尝试读取数据!" <<  count++ << endl;
		if(!q.empty()){
		    data = q.back();
		    q.pop_back();
		    locker2.unlock();
		    cout << "成功读取数据:" << data << endl;
		}else{
		    cout << "数据读取失败!" << endl;
		    locker2.unlock();
		}
	}
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    thread t1(fun1);
    thread t2(fun2);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}
上述代码中,两个函数共同操作一个队列,一个函数负责入队,一个负责出队.两个线程同时操作一个变量,因此变量需要加锁.

但执行上述代码,我们可以看到,入队的函数只执行了10次,但是出队的函数却尝试了上万次的去读取数据,而真正度到数据的次数也就只有10次,可见做了多少无用工.究其原因,是出队函数不知道什么时候队列里面有东西,所以它只能不停的去尝试访问.从而造成了这种无用的消耗.那么有没有什么办法能让出队线程不这么一直不停的取访问,而是==入队线程==入队了之后==通知出队线程可以访问==呢?

条件变量就是干这个的

#include<condition_variable>    //添加头文件
#include<functional>
#include <iostream>
#include<mutex>
#include<string>
#include<thread>
#include<fstream>
#include<deque>
using namespace std;

condition_variable cond;    //实例化条件变量对象
std::deque<int> q;    //全局队列
mutex mu;


void fun1(){
    int count = 10;
    while(count > 0){
		std::unique_lock<mutex> locker1(mu);
		q.push_front(count);
		cond.notify_one();    //唤醒一个线程
		locker1.unlock();
		this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(20));
		count--;
    }
}

void fun2(){
    int data = 0;
    while(data != 1){
		std::unique_lock<mutex> locker2(mu);
		cout << "正在尝试读取数据!" <<  count++ << endl;
		cond.wait(locker2, []{return !q.empty();});	//进入睡眠状态,直到有cond.notify_one(); 唤醒. 加参数是为了防止自启动
		data = q.back();
		q.pop_back();
		locker2.unlock();
		cout << "成功读取数据:" << data << endl;
	}
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    thread t1(fun1);
    thread t2(fun2);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

如上述这样,cond便成了生产者和消费者之间的条件.

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ch7 future,promise 和 async()

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有时候,我们是需要两个线程之间交换数据的.比如下面程序:

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
int add(int a){
cout << "results is : " << a + a << endl;
    return a+a;
}
int main(){
    int a = 2;
    thread t1(add,std::ref(a));
    t1.join();
    return 0;
}
如果我们需要在主函数里面读取add函数的返回值,那么怎么办呢?

这就用到async了,修改我们的代码如下

#include<future>
int main(){
    int a = 2;
    future<int> fu = std::async(add, 4, a);
    cout << fu.get() << endl;    //fu.get()函数稚嫩被调用一次,调用多次程序崩溃. 
    return 0;
}
上述代码中,使用了async,他会异步执行一个可调用对象,并返回一个future对象.
-------- future可以简单的理解成:现在未知,但以后一定会有并且确定的东西

async不一定会创建线程,这取决于其第一个参数.

1. std::launch::referred:不创建线程,只是延期启动可调用对象.当fu.get()方法被调用的时候,才启动可调用对象
2. std::launch::async: 启动一个线程来调用这个可可调用对像
3. std::launch::referred | std::launch::async: 默认是这个,不任何参数

• 从父线程中获取变量 上面的例子是父线程获取子线程的变量,如果子线程相获取父线程的变量,就得用另一种方法.修改代码如下:

int add(int a, future<int>& f){
    int b = f.get();    // 1号注释
    cout << "results is : " << a + b << endl;
    return a+b;
}
 
int main(){
    int a;
    std::promise<int> p;    // 2号注释
    future<int> f = p.get_future();    // 3号注释
    future<int> fu = std::async(add, 4, ref(f));
    a = 20;
    p.set_value(a);    // 4 号注释
    cout << fu.get() << endl; 
    return 0;
}
上述代码中,我们是先创建的线程,在往线程里面传递参数(注释4的地方传递的参数),实现了子线程读取父线程中变量的目的.有一下地方需要注意.
1. 注释2的地方表示给个承诺.由p产生的一个future对象在将来一定会给其设置值.所以就一定要有注释4这样设置值的地方存在.从而实现承诺p.
2.如果注释4处没有给值实现承诺,那么当在其他线程中访问p产生的future对象的时候就会抛出 std::future_error::broken_promise 异常
3. promise和future只能被移动,不能被复制

上面我们说了, future是不能复制的,只能移动.也就是说,当main线程的第一个子线程取走future之后,main里面就不存在这个future了.当main有多个子线程的时候并且同时需要这个future的时候,就 只有一个线程能得到.解决方法有:

1. 创建多个promise 和多个 future, 分别传给不同的线程.(重复)
2. 使用c++提供的future.share();方法,返回一个shared_future 对象.shared_future可以被复制.

int add(int a, shared_future<int> f){    //由于shared_futurek可以被复制,可以通过值传递
    int b = f.get();
    cout << "results is : " << a + b << endl;
    return a+b;
}

int main(){
    int a;
    std::promise<int> p;
    future<int> f = p.get_future();    //实例化一个future
    shared_future<int> fs = f.share();    //由f实例化出shared_future
    future<int> fu = std::async(add, 4, fs);    //4个线程同时使用一个shared_future
    future<int> fu1 = std::async(add, 4,fs);    //可以只用值传递
    future<int> fu2 = std::async(add, 4,fs);
    future<int> fu3 = std::async(add, 4,fs);
    a = 20;
    p.set_value(a);
    cout << fu.get() << endl;   
    return 0;
}

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ch8 可调用对象

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• 可调用对象有5种:

1. 函数.
2. 函数指针.
3. lambda表达式
4. bind函数
5. 重载了函数调用运算符的对象. 函数调用运算符:()

• 创建线程的9中方法:假设存在 class A a; 和 function f(); A 重载了'()'运算符.

• thread t1(a); //用a的拷贝
• thread t2(std::ref(a)); //用a的引用
• thread t3(std::move(a)); //用a.
• thread t4(A()); //A的构造函数,一个临时的A()对象
• thread t5(f); //用函数f
• thread t6(&f) //用函数的引用 //函数名本身就是函数的指针变量,入同数组名就是该数组的指针变量一样
• thread t7({}); //使用lambda函数
• thread t8(&A::f, a); //使用对象a.f()函数拷贝
• thread t9(&A::f, &a); //使用a.f() 函数的引用

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