c++ 多线程类成员函数

1、std::thread

在C++11之前，C++语言层面是不支持多线程的，想利用C++实现并发程序，借助操作系统的API实现跨平台的并发程序存在着诸多不便，当C++11在语言层面支持多线程后，编写跨平台的多线程代码就方便了许多。

C++11提供的std::thread在开发多线程方面带来了便捷。

#include <iostream>
#include <thread>

void threadfunc()
{std::cout << "thread func" << std::endl;
}


int main()
{std::thread t1(threadfunc);t1.join();   //等待threadfunc运行结束return 0;
}

首先定义线程对象t1，线程函数threadfunc运行在线程对象t1中，当线程创建成功并执行线程函数后，一定要保证线程函数运行结束才能退出，这里调用了join()函数阻塞线程，直到threadfunc()运行结束，回收对应创建线程的资源。如果不阻塞线程，就不能保证线程对象t1在threadfunc()运行期间有效，下面不调用join()阻塞线程。

#include <iostream>
#include <thread>

void threadfunc()
{std::cout << "thread func" << std::endl;
}


int main()
{std::thread t1(threadfunc);//t1.join();   //等待threadfunc运行结束return 0;
}

在运行时引起了程序崩溃。

除了调用join()阻塞线程，保证线程对象在线程函数运行期间的有效性，还可以通过线程分离的手段实现，调用detach()函数使得线程对象与线程函数分离，这样，在线程函数运行期间，线程对象与线程函数就没有联系了，此时的线程是作为后台线程去执行，detach()后就无法再和线程发生联系，也不能通过join()来等待线程执行完毕，线程何时执行完无法控制，它的资源会被init进程回收，所以，通常不采用detach()方法。

#include <iostream>
#include <thread>

void threadfunc()
{std::cout << " detach thread func" << std::endl;}

int main()
{std::thread t1(threadfunc);t1.detach();      //线程分离
return 0;
}

这里调用detach()实现线程分离，但是运行后，主线程退出的时候threadfunc()还没有输出“detach thread func”，threadfunc()什么时候运行结束也无法确定，为了看到所创建的线程运行结果，在主线程等待一下再退出。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>   //时间

void threadfunc()
{std::cout << "detach thread func" << std::endl;
}


int main()
{std::thread t1(threadfunc);t1.detach();while (true){std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));//睡眠1000毫秒break;}return 0;
}

此时运行结果：

detach thread func

通过std::thread创建的线程是不可以复制的，但是可以移动。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>

void threadfunc()
{std::cout << "move thread func" << std::endl;}


int main()
{std::thread t1(threadfunc);std::thread t2(std::move(t1));t2.join();while (true){std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));//睡眠1000毫秒break;}return 0;
}

输出结果：

move thread func

移动后t1就不代表任何线程了，t2对象代表着线程threadfunc()。另外，还可以通过std::bind来创建线程函数。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>     //时间
#include <functional>  //std::bind

class A {public:void threadfunc(){std::cout << "bind thread func" << std::endl;}
};


int main()
{A a;std::thread t1(std::bind(&A::threadfunc,&a));t1.join();while (true){std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));//睡眠1000毫秒break;}return 0;
}

创建一个类A，然后再main函数中将类A中的成员函数绑定到线程对象t1上，运行结果：

bind thread func

每个线程都有自己的线程标识，也就是线程ID，当线程创建成功后，可以通过get_id()来获取线程的ID。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <functional>

class A {public:void threadfunc(){std::cout << "bind thread func" << std::endl;}
};


int main()
{A a;std::thread t1(std::bind(&A::threadfunc,&a));std::cout << "main thread ID is : " << std::this_thread::get_id() << std::endl;std::cout << "t1 thread ID is : " << t1.get_id() << std::endl;t1.join();while (true){std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));//睡眠1000毫秒break;}return 0;
}

std::this_thread::get_id()获取的是当前线程的ID，t1.get_id()获取的是所创建的t1对象中运行的线程ID，对应的ID分别为：

main thread ID is : 11932
t1 thread ID is : 12076
bind thread func

虽然get_id()可以获取线程的ID，但是其返回类型是thread::id，通过std::cout可以输出线程ID，但是这样使用似乎不太方面，要是能转换为整形就好了。其实可以将得到的线程ID写入到ostreamstring流中，转换成string类型，再转换成整形。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <functional>
#include <sstream>

class A {public:void threadfunc(){std::cout << "bind thread func" << std::endl;}
};


int main()
{A a;std::thread t1(std::bind(&A::threadfunc, &a));
std::ostringstream os1;os1 << t1.get_id() << std::endl;std::string strID = os1.str();            //转换成string类型int threadID = atoi(strID.c_str());       //转换成int类型std::cout << "t1 thread ID is : " << threadID << std::endl;
t1.join();while (true){std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));//睡眠1000毫秒break;}
return 0;
}

输出结果：

t1 thread ID is : 6956
bind thread func

2、std::mutex

进入多线程编程的世界，除了要牢牢掌握std::thread使用方法，还要掌握互斥量（锁）的使用，这是一种线程同步机制，在C++11中提供了4中互斥量。

std::mutex;                  //非递归的互斥量
std::timed_mutex;            //带超时的非递归互斥量
std::recursive_mutex;        //递归互斥量
std::recursive_timed_mutex;  //带超时的递归互斥量

从各种互斥量的名字可以看出其具有的特性，在实际开发中，常用就是std::mutex，它就像是一把锁，我们需要做的就是对它进行加锁与解锁。

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

std::mutex g_mutex;

void func()
{std::cout << "entry func test thread ID is : " << std::this_thread::get_id() << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(1000));std::cout << "leave func test thread ID is : " << std::this_thread::get_id() << std::endl;

}
int main()
{std::thread t1(func);std::thread t2(func);std::thread t3(func);std::thread t4(func);std::thread t5(func);
t1.join();t2.join();t3.join();t4.join();t5.join();
return 0;
}

创建了5个线程，然后分别调用func()函数，得到结果：

entry func test thread ID is : entry func test thread ID is : 19180
entry func test thread ID is : 3596
13632
entry func test thread ID is : 9520
entry func test thread ID is : 4460
leave func test thread ID is : 13632
leave func test thread ID is : 19180
leave func test thread ID is : leave func test thread ID is : 9520
3596
leave func test thread ID is : 4460

可以看出，并没有按顺序去执行线程函数，后面创建的线程并没有等待前面的线程执行完毕，导致结果混乱，下面用std::mutex进行控制：

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

std::mutex g_mutex;

void func()
{g_mutex.lock();
std::cout << "entry func test thread ID is : " << std::this_thread::get_id() << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(1000));std::cout << "leave func test thread ID is : " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
g_mutex.unlock();
}
int main()
{std::thread t1(func);std::thread t2(func);std::thread t3(func);std::thread t4(func);std::thread t5(func);
t1.join();t2.join();t3.join();t4.join();t5.join();
return 0;
}

只要线程进入func()函数就进行加锁处理，当线程执行完毕后进行解锁，保证每个线程都能按顺序执行，输出结果：

entry func test thread ID is : 8852
leave func test thread ID is : 8852
entry func test thread ID is : 15464
leave func test thread ID is : 15464
entry func test thread ID is : 17600
leave func test thread ID is : 17600
entry func test thread ID is : 16084
leave func test thread ID is : 16084
entry func test thread ID is : 4156
leave func test thread ID is : 4156

虽然通过lock()与unlock()可以解决线程之间的资源竞争问题，但是这里也存在不足。

func()
{//加锁执行逻辑处理;    //如果该过程抛出异常导致程序退出了，就没法unlock//解锁}

int main()
{......
}

func()中再执行逻辑处理中程序因为某些原因退出了，此时就无法unlock()了，这样其他线程也就无法获取std::mutex，造成死锁现象，其实在加锁之前可以通过trylock()尝试一下能不能加锁。实际开发中，通常也不会这样写代码，而是采用lock_guard来控制std::mutex。

template <class _Mutex>
class lock_guard {
public:using mutex_type = _Mutex;
explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx) : _MyMutex(_Mtx) { _MyMutex.lock();     //构造函数加锁       }
lock_guard(_Mutex& _Mtx, adopt_lock_t) : _MyMutex(_Mtx){ }
~lock_guard() noexcept{ _MyMutex.unlock();   //析构函数解锁}
lock_guard(const lock_guard&) = delete;lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;

private:_Mutex& _MyMutex;
};

lock_guard是类模板，在其构造函数中自动给std::mutex加锁，在退出作用域的时候自动解锁，这样就可以保证std::mutex的正确操作，这也是RAII（获取资源便初始化）技术的体现。

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

std::mutex g_mutex;


void func()
{std::lock_guard<std::mutex> lock(g_mutex);   //加锁
std::cout << "entry func test thread ID is : " << std::this_thread::get_id() << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(1000));std::cout << "leave func test thread ID is : " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
//退出作用域后，lock_guard对象析构就自动解锁
}
int main()
{std::thread t1(func);std::thread t2(func);std::thread t3(func);std::thread t4(func);std::thread t5(func);
t1.join();t2.join();t3.join();t4.join();t5.join();
return 0;
}

运行结果：

entry func test thread ID is : 19164
leave func test thread ID is : 19164
entry func test thread ID is : 15124
leave func test thread ID is : 15124
entry func test thread ID is : 2816
leave func test thread ID is : 2816
entry func test thread ID is : 17584
leave func test thread ID is : 17584
entry func test thread ID is : 15792
leave func test thread ID is : 15792

3、std::condition_variable

条件变量是C++11提供的另外一种线程同步机制，通过判断条件是否满足，决定是否阻塞线程，当线程执行条件满足的时候就会唤醒阻塞的线程，常与std::mutex配合使用，C++11提供了两种条件变量。

std::condition_variable，配合std::unique_lock<std::mutex>使用，通过wait()函数阻塞线程；
std::condition_variable_any，可以和任意带有lock()、unlock()语义的std::mutex搭配使用，比较灵活，但是其效率不及std::condition_variable；

std::unique_lock：C++11提供的 std::unique_lock 是通用互斥包装器，允许延迟锁定、锁定的有时限尝试、递归锁定、所有权转移和与条件变量一同使用。std::unique_lock比std::lock_guard使用更加灵活，功能更加强大。使用std::unique_lock需要付出更多的时间、性能成本。

下面利用std::mutex与std::condition_variable实现生产者与消费者模式。

#include <iostream>
#include <condition_variable>
#include <thread>
#include <list>
#include <mutex>
#include <chrono>

class CTask {public:CTask(int taskID){this->taskId = taskID;}
void dotask(){std::cout << "consumer a task Id is " << taskId << std::endl;}
private:int taskId;
};


std::list<std::shared_ptr<CTask>> g_task;
std::mutex g_mutex;
std::condition_variable g_conv;

//生产者线程
void ProdecerFunc()
{int n_taskId = 0;std::shared_ptr<CTask> ptask = nullptr;while (true){ptask = std::make_shared<CTask >(n_taskId); //创建任务{std::lock_guard<std::mutex> lock(g_mutex);g_task.push_back(ptask);std::cout << "produce a task Id is " << n_taskId << std::endl;
}//唤醒线程g_conv.notify_one();
n_taskId++;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));}
}

//消费者线程
void ConsumerFunc()
{std::shared_ptr<CTask> ptask = nullptr; while (true){std::unique_lock<std::mutex> lock(g_mutex);while (g_task.empty())  //即使被唤醒还要循环判断一次，防止虚假唤醒{g_conv.wait(lock);}
ptask = g_task.front();  //取出任务g_task.pop_front();
if (ptask == nullptr){continue;}ptask->dotask();       //执行任务}
}

int main()
{std::thread t1(ConsumerFunc);std::thread t2(ConsumerFunc);std::thread t3(ConsumerFunc);
std::thread t4(ProdecerFunc);
t1.join();t2.join();t3.join();t4.join();return 0;
}

创建3个消费者线程，一个生产者线程，当存放任务的std::list为空时，消费者线程阻塞，当生产者线程生产一个任务放入std::list中时候，此时满足条件，条件变量就可以唤醒阻塞的线程去执行任务。

produce a task Id is 0
consumer a task Id is 0
produce a task Id is 1
consumer a task Id is 1
produce a task Id is 2
consumer a task Id is 2
produce a task Id is 3
consumer a task Id is 3
produce a task Id is 4
consumer a task Id is 4
produce a task Id is 5
consumer a task Id is 5
produce a task Id is 6
consumer a task Id is 6
produce a task Id is 7
consumer a task Id is 7
......

条件变量的使用过程可以归纳如下：

拥有条件变量的线消费者程获取互斥锁；
消费者线程循环检查条件是否满足，不满足则阻塞等待，此时释放互斥锁；
当生产者线程产生任务后，调用notify_one()或者notify_all()唤醒阻塞的消费者线程；
当消费者线程被唤醒后再次获得互斥锁去执行任务；

4、thread_local

C++11中提供了thread_local，thread_local定义的变量在每个线程都保存一份副本，而且互不干扰，在线程退出的时候自动销毁。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>

thread_local int g_k = 0;

void func1()
{while (true){++g_k;}
}

void func2()
{while (true){std::cout << "func2 thread ID is : " << std::this_thread::get_id() << std::endl;std::cout << "func2 g_k = " << g_k << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));}

}

int main()
{std::thread t1(func1);std::thread t2(func2);
t1.join();t2.join();
return 0;
}

在func1()对g_k循环加1操作，在func2()每个1000毫秒输出一次g_k的值：

func2 thread ID is : 15312
func2 g_k = 0
func2 thread ID is : 15312
func2 g_k = 0
func2 thread ID is : 15312
func2 g_k = 0
func2 thread ID is : 15312
func2 g_k = 0
func2 thread ID is : 15312
func2 g_k = 0
func2 thread ID is : 15312
func2 g_k = 0
func2 thread ID is : 15312
func2 g_k = 0
func2 thread ID is : 15312
func2 g_k = 0
func2 thread ID is : 15312
func2 g_k = 0
func2 thread ID is : 15312
func2 g_k = 0

......

可以看出func2()中的g_k始终保持不变。