c++11 新特性之线程相关所有知识点

发布于 2020-9-3 10:28
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c++11关于并发引入了好多好东西,这里按照如下顺序介绍:

  • std::thread相关
  • std::mutex相关
  • std::lock相关
  • std::atomic相关
  • std::call_once相关
  • volatile相关
  • std::condition_variable相关
  • std::future相关
  • async相关

 

std::thread相关

 

c++11之前你可能使用pthread_xxx来创建线程,繁琐且不易读,c++11引入了std::thread来创建线程,支持对线程join或者detach。直接看代码:

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

int main() {
    auto func = []() {
        for (int i = 0; i < 10; ++i) {
            cout << i << " ";
        }
        cout << endl;
    };
    std::thread t(func);
    if (t.joinable()) {
        t.detach();
    }
    auto func1 = [](int k) {
        for (int i = 0; i < k; ++i) {
            cout << i << " ";
        }
        cout << endl;
    };
    std::thread tt(func1, 20);
    if (tt.joinable()) { // 检查线程可否被join
        tt.join();
    }
    return 0;
}

上述代码中,函数func和func1运行在线程对象t和tt中,从刚创建对象开始就会新建一个线程用于执行函数,调用join函数将会阻塞主线程,直到线程函数执行结束,线程函数的返回值将会被忽略。如果不希望线程被阻塞执行,可以调用线程对象的detach函数,表示将线程和线程对象分离。

 

如果没有调用join或者detach函数,假如线程函数执行时间较长,此时线程对象的生命周期结束调用析构函数清理资源,这时可能会发生错误,这里有两种解决办法,一个是调用join(),保证线程函数的生命周期和线程对象的生命周期相同,另一个是调用detach(),将线程和线程对象分离,这里需要注意,如果线程已经和对象分离,那我们就再也无法控制线程什么时候结束了,不能再通过join来等待线程执行完。

 

这里可以对thread进行封装,避免没有调用join或者detach可导致程序出错的情况出现:

class ThreadGuard {
   public:
    enum class DesAction { join, detach };

    ThreadGuard(std::thread&& t, DesAction a) : t_(std::move(t)), action_(a){};

    ~ThreadGuard() {
        if (t_.joinable()) {
            if (action_ == DesAction::join) {
                t_.join();
            } else {
                t_.detach();
            }
        }
    }

    ThreadGuard(ThreadGuard&&) = default;
    ThreadGuard& operator=(ThreadGuard&&) = default;

    std::thread& get() { return t_; }

   private:
    std::thread t_;
    DesAction action_;
};

int main() {
    ThreadGuard t(std::thread([]() {
        for (int i = 0; i < 10; ++i) {
            std::cout << "thread guard " << i << " ";
        }
        std::cout << std::endl;}), ThreadGuard::DesAction::join);
    return 0;
}

c++11还提供了获取线程id,或者系统cpu个数,获取thread native_handle,使得线程休眠等功能

std::thread t(func);
cout << "当前线程ID " << t.get_id() << endl;
cout << "当前cpu个数 " << std::thread::hardware_concurrency() << endl;
auto handle = t.native_handle();// handle可用于pthread相关操作
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

 

std::mutex相关

 

std::mutex是一种线程同步的手段,用于保存多线程同时操作的共享数据。

 

mutex分为四种:

  • std::mutex:独占的互斥量,不能递归使用,不带超时功能
  • std::recursive_mutex:递归互斥量,可重入,不带超时功能
  • std::timed_mutex:带超时的互斥量,不能递归
  • std::recursive_timed_mutex:带超时的互斥量,可以递归使用

 

拿一个std::mutex和std::timed_mutex举例吧,别的都是类似的使用方式:

std::mutex:

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

using namespace std;
std::mutex mutex_;

int main() {
    auto func1 = [](int k) {
        mutex_.lock();
        for (int i = 0; i < k; ++i) {
            cout << i << " ";
        }
        cout << endl;
        mutex_.unlock();
    };
    std::thread threads[5];
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        threads[i] = std::thread(func1, 200);
    }
    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }
    return 0;
}

std::timed_mutex:

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

using namespace std;
std::timed_mutex timed_mutex_;

int main() {
    auto func1 = [](int k) {
        timed_mutex_.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200));
        for (int i = 0; i < k; ++i) {
            cout << i << " ";
        }
        cout << endl;
        timed_mutex_.unlock();
    };
    std::thread threads[5];
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        threads[i] = std::thread(func1, 200);
    }
    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }
    return 0;
}

 

std::lock相关

 

这里主要介绍两种RAII方式的锁封装,可以动态的释放锁资源,防止线程由于编码失误导致一直持有锁。

c++11主要有std::lock_guard和std::unique_lock两种方式,使用方式都类似,如下:

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

using namespace std;
std::mutex mutex_;

int main() {
    auto func1 = [](int k) {
        // std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        for (int i = 0; i < k; ++i) {
            cout << i << " ";
        }
        cout << endl;
    };
    std::thread threads[5];
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        threads[i] = std::thread(func1, 200);
    }
    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }
    return 0;
}

std::lock_gurad相比于std::unique_lock更加轻量级,少了一些成员函数,std::unique_lock类有unlock函数,可以手动释放锁,所以条件变量都配合std::unique_lock使用,而不是std::lock_guard,因为条件变量在wait时需要有手动释放锁的能力,具体关于条件变量后面会讲到。

 

std::atomic相关


c++11提供了原子类型std::atomic<T>,理论上这个T可以是任意类型,但是我平时只存放整形,别的还真的没用过,整形有这种原子变量已经足够方便,就不需要使用std::mutex来保护该变量啦。看一个计数器的代码:

struct OriginCounter { // 普通的计数器
    int count;
    std::mutex mutex_;
    void add() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        ++count;
    }

    void sub() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        --count;
    }

    int get() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        return count;
    }
};

struct NewCounter { // 使用原子变量的计数器
    std::atomic<int> count;
    void add() {
        ++count;
        // count.store(++count);这种方式也可以
    }

    void sub() {
        --count;
        // count.store(--count);
    }

    int get() {
        return count.load();
    }
};

是不是使用原子变量更加方便了呢?

 

std::call_once相关

 

c++11提供了std::call_once来保证某一函数在多线程环境中只调用一次,它需要配合std::once_flag使用,直接看使用代码吧:

std::once_flag onceflag;

void CallOnce() {
    std::call_once(onceflag, []() {
        cout << "call once" << endl;
    });
}

int main() {
    std::thread threads[5];
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        threads[i] = std::thread(CallOnce);
    }
    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }
    return 0;
}

 

volatile相关


貌似把volatile放在并发里介绍不太合适,但是貌似很多人都会把volatile和多线程联系在一起,那就一起介绍下吧。

volatile通常用来建立内存屏障,volatile修饰的变量,编译器对访问该变量的代码通常不再进行优化,看下面代码:

int *p = xxx;
int a = *p;
int b = *p;

 

a和b都等于p指向的值,一般编译器会对此做优化,把*p的值放入寄存器,就是传说中的工作内存(不是主内存),之后a和b都等于寄存器的值,但是如果中间p地址的值改变,内存上的值改变啦,但a,b还是从寄存器中取的值(不一定,看编译器优化结果),这就不符合需求,所以在此对p加volatile修饰可以避免进行此类优化。

 

注意:volatile不能解决多线程安全问题,针对特种内存才需要使用volatile,它和atomic的特点如下:

  • std::atomic用于多线程访问的数据,且不用互斥量,用于并发编程中
  • volatile用于读写操作不可以被优化掉的内存,用于特种内存中

 

std::condition_variable相关


条件变量是c++11引入的一种同步机制,它可以阻塞一个线程或者个线程,直到有线程通知或者超时才会唤醒正在阻塞的线程,条件变量需要和锁配合使用,这里的锁就是上面介绍的std::unique_lock。

 

这里使用条件变量实现一个CountDownLatch:

class CountDownLatch {
   public:
    explicit CountDownLatch(uint32_t count) : count_(count);

    void CountDown() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        --count_;
        if (count_ == 0) {
            cv_.notify_all();
        }
    }

    void Await(uint32_t time_ms = 0) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        while (count_ > 0) {
            if (time_ms > 0) {
                cv_.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(time_ms));
            } else {
                cv_.wait(lock);
            }
        }
    }

    uint32_t GetCount() const {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        return count_; 
    }

   private:
    std::condition_variable cv_;
    mutable std::mutex mutex_;
    uint32_t count_ = 0;
};

 

关于条件变量其实还涉及到通知丢失和虚假唤醒问题,因为不是本文的主题,这里暂不介绍,大家有需要可以留言。

 

std::future相关

 

c++11关于异步操作提供了future相关的类,主要有std::future、std::promise和std::packaged_task,std::future比std::thread高级些,std::future作为异步结果的传输通道,通过get()可以很方便的获取线程函数的返回值,std::promise用来包装一个值,将数据和future绑定起来,而std::packaged_task则用来包装一个调用对象,将函数和future绑定起来,方便异步调用。而std::future是不可以复制的,如果需要复制放到容器中可以使用std::shared_future。

 

std::promise与std::future配合使用

#include <functional>
#include <future>
#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

void func(std::future<int>& fut) {
    int x = fut.get();
    cout << "value: " << x << endl;
}

int main() {
    std::promise<int> prom;
    std::future<int> fut = prom.get_future();
    std::thread t(func, std::ref(fut));
    prom.set_value(144);
    t.join();
    return 0;
}

std::packaged_task与std::future配合使用

#include <functional>
#include <future>
#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

int func(int in) {
    return in + 1;
}

int main() {
    std::packaged_task<int(int)> task(func);
    std::future<int> fut = task.get_future();
    std::thread(std::move(task), 5).detach();
    cout << "result " << fut.get() << endl;
    return 0;
}

 

更多关于future的使用可以看我之前写的关于线程池和定时器的文章。

 

三者之间的关系

std::future用于访问异步操作的结果,而std::promise和std::packaged_task在future高一层,它们内部都有一个future,promise包装的是一个值,packaged_task包装的是一个函数,当需要获取线程中的某个值,可以使用std::promise,当需要获取线程函数返回值,可以使用std::packaged_task。

 

async相关
async是比future,packaged_task,promise更高级的东西,它是基于任务的异步操作,通过async可以直接创建异步的任务,返回的结果会保存在future中,不需要像packaged_task和promise那么麻烦,关于线程操作应该优先使用async,看一段使用代码:

#include <functional>
#include <future>
#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

int func(int in) { return in + 1; }

int main() {
    auto res = std::async(func, 5);
    // res.wait();
    cout << res.get() << endl; // 阻塞直到函数返回
    return 0;
}

使用async异步执行函数是不是方便多啦。

async具体语法如下:

async(std::launch::async | std::launch::deferred, func, args...);

 

第一个参数是创建策略:

  • std::launch::async表示任务执行在另一线程
  • std::launch::deferred表示延迟执行任务,调用get或者wait时才会执行,不会创建线程,惰性执行在当前线程。

 

如果不明确指定创建策略,以上两个都不是async的默认策略,而是未定义,它是一个基于任务的程序设计,内部有一个调度器(线程池),会根据实际情况决定采用哪种策略。

 

若从 std::async 获得的 std::future 未被移动或绑定到引用,则在完整表达式结尾, std::future的析构函数将阻塞直至异步计算完成,实际上相当于同步操作:

std::async(std::launch::async, []{ f(); }); // 临时量的析构函数等待 f()
std::async(std::launch::async, []{ g(); }); // f() 完成前不开始

注意:关于async启动策略这里网上和各种书籍介绍的五花八门,这里会以cppreference为主。

有时候我们如果想真正执行异步操作可以对async进行封装,强制使用std::launch::async策略来调用async。

template <typename F, typename... Args>
inline auto ReallyAsync(F&& f, Args&&... params) {
    return std::async(std::launch::async, std::forward<F>(f), std::forward<Args>(params)...);
}

 

 


 

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