C++（三）–多线程

线程是进程的组成单位。不管在windows或者linux操作系统上，进程都是操作系统资源申请、调度和独立运行的基本单位；一个程序可以有多个进程，例如可以同时打开多个程序的进程。另外，真正执行代码的是线程，进程只是线程的容器（执行环境）。
多线程的实现能够提高执行效率。

参考：《VC++深入详解》----孙鑫

一、多线程的概念

1.1 线程

线程主要由两个部分组成，一个是线程内核对象，操作系统用它来实施线程管理；另一个是线程栈，用于维护线程在执行代码时需要的所有函数参数和局部变量。线程会在进程环境中创建，系统从进程的地址空间中分配内存，供线程的使用。

另外线程只有一个内核对象和一个栈，需要的内存很少，开销也比进程少；所以在编程中，往往用多线程来解决问题，尽量避免创建新的进程。

1.2 单线程和多线程

对于单线程来说，进程中只有一个线程在运行。比如一个病人需要动手术，医院安排了一位医生为他动手术，这个医生就是主线程，仅仅由这个主线程完成任务；对于多线程而言，进程中有多个线程，其中有一个是主线程，就好比在上述例子中医生多了几个护士，由医生和几个护士共同完成手术过程，那么手术的效率就高了。

二、C++ 11 多线程的实现

要基于C++ 11 实现多线程，需要包含头文件 < thread >。

2.1 thread类的定义

class thread{    // class for observing and managing threads
public:class id;typedef void *native_handle_type;thread() _NOEXCEPT{    // construct with no thread_Thr_set_null(_Thr);}template<class _Fn,class... _Args,class = typename enable_if<!is_same<typename decay<_Fn>::type, thread>::value>::type>explicit thread(_Fn&& _Fx, _Args&&... _Ax){ // construct with _Fx(_Ax...)_Launch(&_Thr,_STD make_unique<tuple<decay_t<_Fn>, decay_t<_Args>...> >(_STD forward<_Fn>(_Fx), _STD forward<_Args>(_Ax)...));}~thread() _NOEXCEPT{    // clean upif (joinable())_XSTD terminate();}thread(thread&& _Other) _NOEXCEPT: _Thr(_Other._Thr){  // move from _Other_Thr_set_null(_Other._Thr);}thread& operator=(thread&& _Other) _NOEXCEPT{   // move from _Otherreturn (_Move_thread(_Other));}thread(const thread&) = delete;thread& operator=(const thread&) = delete;void swap(thread& _Other) _NOEXCEPT{  // swap with _Other_STD swap(_Thr, _Other._Thr);}bool joinable() const _NOEXCEPT{   // return true if this thread can be joinedreturn (!_Thr_is_null(_Thr));}void join();void detach(){ // detach threadif (!joinable())_Throw_Cpp_error(_INVALID_ARGUMENT);_Thrd_detachX(_Thr);_Thr_set_null(_Thr);}id get_id() const _NOEXCEPT;static unsigned int hardware_concurrency() _NOEXCEPT{  // return number of hardware thread contextsstatic const unsigned int _Cnt = _Thrd_hardware_concurrency();return (_Cnt);}native_handle_type native_handle(){   // return Win32 HANDLE as void *return (_Thr._Hnd);}private:thread& _Move_thread(thread& _Other){   // move from _Otherif (joinable())_XSTD terminate();_Thr = _Other._Thr;_Thr_set_null(_Other._Thr);return (*this);}_Thrd_t _Thr;};

其中，thread类中的方法有：

void swap(thread& _Other);//bool joinable() ;//是否可以join调用void join(); //阻塞主线程等待子线程结束void detach();//分离子线程，主线程不被阻塞继续执行id get_id() ;//获取线程id

2.2 多线程简单的实例

创建线程的方法为std::thread th(函数名,参数1,参数2,...,参数n)，若声明一个函数function(int a,int b),则创建线程的方法为std::thread th(fuction,a,b),

#include <iostream>
#include <thread>using namespace std;
void fun1(int num)
{cout<<"fun 1:"<<num<<endl;cout<<"fun1 线程id:"<<this_thread::get_id()<<endl;
}void fun2(int num)
{cout<<"fun 2:"<<num<<endl;cout<<"fun2 线程id:"<<this_thread::get_id()<<endl;
}int main()
{cout <<"主线程id："<<this_thread::get_id()<< endl;std::thread a(fun1,1);std::thread b(fun2,2);a.join();b.join();return 0;
}

执行结果：

另外需要注意的是，当线程定义申明的时候就开始运行。join函数是等待子线程阻塞主线程，而detach函数是分离线程，主线程不会阻塞，继续执行。

2.3 互斥锁

C++ 11中头文件< mutex >中，定义了两个常用的类std::mutex和std::lock_guard，要使用互斥锁时，需要首先创建对象std::mutex mutex_;如果你用过Qt的互斥锁，会发现他们是一样的，Qt中使用QMutex来实现互斥锁。这里介绍的是C++ 11 实现互斥。

在这里，如果需要引用传递参数，需要使用std::ref()函数，如下面所示：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>using namespace std;
mutex mutex_;void fun1(int &num)
{//mutex_.lock();num = num +1;cout<<"线程 fun 1:"<<num<<endl;//mutex_.unlock();
}void fun2(int &num)
{//mutex_.lock();num = num * 2;cout<<"线程 fun 2:"<<num<<endl;//mutex_.unlock();
}int main()
{int num=3;std::thread a(fun1,std::ref(num));std::thread b(fun2,std::ref(num));a.join();b.join();cout<<"主线程 num:"<<num<<endl;return 0;
}

输出结果：

但我们期待的输出结果是：

线程 fun 1:4
线程 fun 2:8
主线程 num:8

出现这种情况主要是两个子线程同时对互斥量操作，导致出现了错误；所以这时候就需要使用互斥锁来实现互斥。

2.3.1 使用std::mutex

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>using namespace std;
mutex mutex_;void fun1(int &num)
{mutex_.lock();num = num +1;cout<<"线程 fun 1:"<<num<<endl;mutex_.unlock();
}void fun2(int &num)
{mutex_.lock();num = num * 2;cout<<"线程 fun 2:"<<num<<endl;mutex_.unlock();
}int main()
{int num=3;std::thread a(fun1,std::ref(num));std::thread b(fun2,std::ref(num));a.join();b.join();cout<<"主线程 num:"<<num<<endl;return 0;
}

输出结果

2.3.2 使用std::lock_guard()

std::lock_guard的生命周期结束后，会自动执行析构函数，释放互斥量的控制权，相比于使用mutex::lock和unlock而言，比较方便；但是没有后者灵活。另外，std::lock_guard可以使用{}来控制其生命周期。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>using namespace std;
mutex mutex_;void fun1(int &num)
{// mutex_.lock();std::lock_guard<mutex> guard1(mutex_);num = num +1;cout<<"线程 fun 1:"<<num<<endl;//mutex_.unlock();
}void fun2(int &num)
{//mutex_.lock();std::lock_guard<mutex> guard2(mutex_);num = num * 2;cout<<"线程 fun 2:"<<num<<endl;//mutex_.unlock();
}int main()
{int num=3;std::thread a(fun1,std::ref(num));std::thread b(fun2,std::ref(num));a.join();b.join();cout<<"主线程 num:"<<num<<endl;return 0;
}

输出结果：

2.3.3 使用std::unique_lock()

虽然std::lock_guard提高了编程效率，但是使用std::lock_guard后不能手动lock()与手动unlock();如果你想在子线程的某个地方释放互斥量的控制权，std::lock_guard就显得很吃力，为此，C++提供了std::unique_lock，类似于std::lock_guard，保留了其功能，同时也可以手动解锁和上锁。
std::unique_lock支持传入参数defer_lock和try_to_lock，std::adopt_lock，前者是默认不上锁，后者的用法和lock_guard类似，需要用guard.owns_lock()来判断是否锁住。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>using namespace std;
mutex mutex_;void fun1(int &num)
{std::unique_lock<mutex> guard1(mutex_,std::defer_lock);guard1.lock();num = num +1;cout<<"线程 fun 1:"<<num<<endl;++num;guard1.unlock();
}void fun2(int &num)
{std::unique_lock<mutex> guard2(mutex_,std::defer_lock);guard2.lock();num = num * 2;cout<<"线程 fun 2:"<<num<<endl;num = num + 4;guard2.unlock();
}int main()
{int num=3;std::thread a(fun1,std::ref(num));std::thread b(fun2,std::ref(num));a.join();b.join();cout<<"主线程 num:"<<num<<endl;return 0;
}

执行结果：

2.4 原子操作

原子操作指不可分割的操作，只允许一个线程去操作原子变量。如果有很多个线程都要对一个变量进行操作，那么根据上面的内容，我们要不断的进行上锁和解锁，这样是非常麻烦的。原子类型的好处就体现出来了，定义一个原子变量，只允许单个线程来访问它，同时由于它的原子性，不需要上锁解锁，操作的效率和代码执行的效率更高。（包含在头文件< atomic >中）

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <atomic>using namespace std;
mutex mutex_;
std::atomic<bool> num(true);void fun1(void)
{num = false;
}void fun2(void)
{num = true;
}int main()
{std::thread a(fun1);std::thread b(fun2);a.join();b.join();cout<<"主线程 num:"<<num<<endl;return 0;
}

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《C++（三）--多线程》

目录

一、多线程的概念

1.1 线程

1.2 单线程和多线程

二、C++ 11 多线程的实现

2.1 thread类的定义

2.2 多线程简单的实例

2.3 互斥锁

2.3.1 使用std::mutex

2.3.2 使用std::lock_guard()

2.3.3 使用std::unique_lock()

2.4 原子操作

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