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【C++】C++11--- 线程库及详解lock_guard与unique_lock

一、thread类的介绍

在C++11之前，涉及到多线程问题，都是和平台相关的，比如**windows和linux下各有自己的接口，这使得代码的可移植性比较差。C++11中最重要的特性就是对线程进行支持了，使得C++在并行编程时不需要依赖第三方库，**而且在原子操作中还引入了原子类的概念。要使用标准库中的线程，必须包含< thread >头文件。

注意：

  1. 线程是操作系统中的一个概念，线程对象可以关联一个线程，用来控制线程以及获取线程的状态。
  2. 当创建一个线程对象后，没有提供线程函数，该对象实际没有对应任何线程。
#include <thread>
int main()
{
	std::thread t1;
	cout << t1.get_id() << endl;
	return 0;
}

get_id()的返回值类型为id类型，id类型实际为std::thread命名空间下封装的一个类，该类中包含了一个结构体：
【C++】C++11--- 线程库及详解lock_guard与unique_lock-LMLPHP

  1. 当创建一个线程对象后，并且给线程关联线程函数，该线程就被启动，与主线程一起运行。线程函数一般情况下可按照以下三种方式提供：
    1.函数指针
    2.lambda表达式
    3.函数对象
#include <iostream>
using namespace std;
#include <thread>
void ThreadFunc(int a)
{
	cout << "Thread1" << a << endl;
}
class TF
{
public:
	void operator()()
	{
		cout << "Thread3" << endl;
	}
};
int main()
{
	// 线程函数为函数指针
	thread t1(ThreadFunc, 10);
	// 线程函数为lambda表达式
	thread t2([] {cout << "Thread2" << endl; });
	// 线程函数为函数对象
	TF tf;
	thread t3(tf);
	t1.join();
	t2.join();
	t3.join();
	cout << "Main thread!" << endl;
	return 0;
}
  1. thread类是防拷贝的，不允许拷贝构造以及赋值，但是可以移动构造和移动赋值，即将一个线程对象关联线程的状态转移给其他线程对象，转移期间不意向线程的执行。
  2. 可以通过jionable()函数判断线程是否是有效的，如果是以下任意情况，则线程无效。
    1.采用无参构造函数构造的线程对象
    2.线程对象的状态已经转移给其他线程对象
    3.线程已经调用jion或者detach结束

二、线程函数参数

线程函数的参数是以值拷贝的方式拷贝到线程栈空间中的，因此：即使线程参数为引用类型，在线程中修改后也不能修改外部实参，因为其实际引用的是线程栈中的拷贝，而不是外部实参。

void ThreadFunc1(int& x)
{
	x += 10;
}
void ThreadFunc2(int* x)
{
	*x += 10;
}
int main()
{
	int a = 10;
	// 在线程函数中对a修改，不会影响外部实参，因为：线程函数参数虽然是引用方式，但其实际引用的是线程栈中的拷贝
	/*thread t1(ThreadFunc1, a);
	t1.join();
	cout << a << endl;*/

	// 如果想要通过形参改变外部实参时，必须借助std::ref()函数
	thread t2(ThreadFunc1, std::ref(a));
	t2.join();
	cout << a << endl;

	 地址的拷贝
	thread t3(ThreadFunc2, &a);
	t3.join();
	cout << a << endl;
	return 0;
}

运行结果：
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注意：如果是类成员函数作为线程参数时，必须将this作为线程函数参数。

三、 原子性操作库

多线程最主要的问题是共享数据带来的问题(即线程安全)。如果共享数据都是只读的，那么没问
题，因为只读操作不会影响到数据，更不会涉及对数据的修改，所以所有线程都会获得同样的数
据。但是，当一个或多个线程要修改共享数据时，就会产生很多潜在的麻烦。比如：

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
unsigned long sum = 0;
void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
		sum++;
}
int main()
{
	cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;
	thread t1(fun, 10000000);
	thread t2(fun, 10000000);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

运行结果：
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C++98中传统的解决方式：可以对共享修改的数据可以加锁保护。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
using namespace std;

std::mutex m;
unsigned long sum = 0;
void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
	{
		m.lock();
		sum++;
		m.unlock();
	}
}
int main()
{
	cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;
	thread t1(fun, 10000000);
	thread t2(fun, 10000000);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

运行结果：
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虽然加锁可以解决，但是加锁有一个缺陷就是：只要一个线程在对sum++时，其他线程就会被阻
塞，会影响程序运行的效率，而且锁如果控制不好，还容易造成死锁。
因此C++11中引入了原子操作。所谓原子操作：即不可被中断的一个或一系列操作，C++11引入
的原子操作类型，使得线程间数据的同步变得非常高效。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
using namespace std;

atomic_long sum{ 0 };
void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
		sum++; // 原子操作
}
int main()
{
	cout << "Before joining, sum = " << sum << std::endl;
	thread t1(fun, 1000000);
	thread t2(fun, 1000000);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "After joining, sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

运行结果：
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在C++11中，程序员不需要对原子类型变量进行加锁解锁操作，线程能够对原子类型变量互斥的
访问。更为普遍的，程序员可以使用atomic类模板，定义出需要的任意原子类型

注意：原子类型通常属于"资源型"数据，多个线程只能访问单个原子类型的拷贝，因此在C++11
中，原子类型只能从其模板参数中进行构造，不允许原子类型进行拷贝构造、移动构造以及
operator=等，为了防止意外，标准库已经将atmoic模板类中的拷贝构造、移动构造、赋值运算
符重载默认删除掉了。

#include <atomic>
int main()
{
	atomic<int> a1(0);
	//atomic<int> a2(a1); // 编译失败
	atomic<int> a2(0);
	//a2 = a1; // 编译失败
	return 0;
}

以下是原子类型名称与之对应的内置类型名称
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四、lock_guard与unique_lock

在多线程环境下，如果想要保证某个变量的安全性，只要将其设置成对应的原子类型即可，即高
效又不容易出现死锁问题。但是有些情况下，我们可能需要保证一段代码的安全性，那么就只能
通过锁的方式来进行控制。
比如：一个线程对变量number进行加一100次，另外一个减一100次，每次操作加一或者减一之
后，输出number的结果，要求：number最后的值为1。

#include <thread>
#include <mutex>
int number = 0;
mutex g_lock;
int ThreadProc1()
{
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		g_lock.lock();
		++number;
		cout << "thread 1 :" << number << endl;
		g_lock.unlock();
	}
	return 0;
}
int ThreadProc2()
{
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		g_lock.lock();
		--number;
		cout << "thread 2 :" << number << endl;
		g_lock.unlock();
	}
	return 0;
}
int main()
{
	thread t1(ThreadProc1);
	thread t2(ThreadProc2);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "number:" << number << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

上述代码的缺陷：锁控制不好时，可能会造成死锁，最常见的比如在锁中间代码返回，或者在锁
的范围内抛异常。因此：C++11采用RAII的方式对锁进行了封装，即lock_guard和unique_lock。

4.1、mutex的种类

在C++11中，Mutex总共包了四个互斥量的种类：

1. std::mutex
C++11提供的最基本的互斥量，该类的对象之间不能拷贝，也不能进行移动。mutex最常用
的三个函数：

注意，线程函数调用lock()时，可能会发生以下三种情况：

  • 如果该互斥量当前没有被锁住，则调用线程将该互斥量锁住，直到调用 unlock之前，
  • 该线程一直拥有该锁
  • 如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前的调用线程被阻塞住
  • 如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)

线程函数调用try_lock()时，可能会发生以下三种情况：

  • 如果当前互斥量没有被其他线程占有，则该线程锁住互斥量，直到该线程调用 unlock释放互斥量
  • 如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前调用线程返回 false，而并不会被阻塞掉
  • 如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)

2. std::recursive_mutex
其允许同一个线程对互斥量多次上锁（即递归上锁），来获得对互斥量对象的多层所有权，释放互斥量时需要调用与该锁层次深度相同次数的 unlock()，除此之外，std::recursive_mutex 的特性和 std::mutex 大致相同。

3. std::timed_mutex
比 std::mutex 多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until() 。

  • try_lock_for()
    接受一个时间范围，表示在这一段时间范围之内线程如果没有获得锁则被阻塞住（与std::mutex 的 try_lock() 不同，try_lock 如果被调用时没有获得锁则直接返回false），如果在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，如果超时（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。
  • try_lock_until()
    接受一个时间点作为参数，在指定时间点未到来之前线程如果没有获得锁则被阻塞住，如果在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，如果超时（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。

4. std::recursive_timed_mutex

4.2 lock_guard

std::lock_gurad 是 C++11 中定义的模板类。定义如下：

template<class _Mutex>
class lock_guard
{
public:
	// 在构造lock_gard时，_Mtx还没有被上锁
	explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx)
		: _MyMutex(_Mtx)
	{
		_MyMutex.lock();
	}
	// 在构造lock_gard时，_Mtx已经被上锁，此处不需要再上锁
	lock_guard(_Mutex& _Mtx, adopt_lock_t)
		: _MyMutex(_Mtx)
	{}
	~lock_guard() _NOEXCEPT
	{
		_MyMutex.unlock();
	}
	lock_guard(const lock_guard&) = delete;
	lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
	_Mutex& _MyMutex;
};

通过上述代码可以看到，lock_guard类模板主要是通过RAII的方式，对其管理的互斥量进行了封装，在需要加锁的地方，只需要用上述介绍的任意互斥体实例化一个lock_guard，调用构造函数成功上锁，出作用域前，lock_guard对象要被销毁，调用析构函数自动解锁，可以有效避免死锁问题。
lock_guard的缺陷：太单一，用户没有办法对该锁进行控制，因此C++11又提供了unique_lock。

4.3 unique_lock

与lock_gard类似，unique_lock类模板也是采用RAII的方式对锁进行了封装，并且也是以独占所有权的方式管理mutex对象的上锁和解锁操作，即其对象之间不能发生拷贝。在构造(或移动(move)赋值)时，unique_lock 对象需要传递一个 Mutex 对象作为它的参数，新创建的unique_lock 对象负责传入的 Mutex 对象的上锁和解锁操作。使用以上类型互斥量实例化unique_lock的对象时，自动调用构造函数上锁，unique_lock对象销毁时自动调用析构函数解锁，可以很方便的防止死锁问题。
与lock_guard不同的是，unique_lock更加的灵活，提供了更多的成员函数：

  • 上锁/解锁操作：lock、try_lock、try_lock_for、try_lock_until和unlock
  • 修改操作：移动赋值、交换(swap：与另一个unique_lock对象互换所管理的互斥量所有权)、释放(release：返回它所管理的互斥量对象的指针，并释放所有权)
  • 获取属性：owns_lock(返回当前对象是否上了锁)、operator bool()(与owns_lock()的功能相同)、mutex(返回当前unique_lock所管理的互斥量的指针)
08-08 12:42
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