c++ 多线程std::thread总结

目录

• 定义
• std::thread
• • 常用成员函数
  • 用例
  • 注意事项
• std::atomic和std::mutex
• • 为什么需要atomic和mutex
  • std::mutex
  • • mutex的常用成员函数
    • std::lock_guard
  • std::atomic
• std::async
• • 为什么使用async而不是thread
  • std::async参数
• std::future
• • std::future常用成员函数
  • 为什么要有void特化的std::future
• std::promise
• • std::promise常用成员函数
• std::this_thread
• 参考

定义

多线程：是指从软件或者硬件上实现多个线程并法执行的技术。

进程与线程的区别：

1. 进程是正在进行的程序的实例，而线程是进程中的实际运作单位。
2. 一个程序有且只有一个进程，但可以拥有至少一个线程
3. 不同进程拥有不同的地址空间，互不相关。而不同线程共同拥有相同进程的地址空间。
   

std::thread

常用成员函数

用例

cmakeLists:

find_package(Thread)
add_executable(thread_test thread_test.cpp)
target_link_libraries(thread_test ${CMAKE_THREAD_LIBS_INIT})

• 例一：thread的基本使用

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace  std;

void doit(){
  cout << "world !" << endl;}
int main(){
  
    // flush函数：刷新缓冲区。
    // endl函数：终止一行并刷新缓冲区。
    thread a([]{
  cout << "hello," << flush;}), b(doit);
    a.join();
    b.join();
    return 0;
}

输出结果：

Hello, World!

或者是

World!
Hello,

多线程运行时是以异步方式执行的，与我们平时写的同步方式不同。异步方式可以同时执行多条语句。

• 例2 ：thread执行有参数的函数

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

void output(int id){
  
   cout << "thread" << id << "finish!" << endl;
}
int main(){
  
    thread th[10];
    for(int i = 0 ; i < 10; i++){
  
        th[i] = thread(output,i);
    }
    for(int i = 0; i < 10 ; i++){
  
        th[i].join();
    }
    return 0;
}

输出结果：

threadthread01finish!finish!

thread3finish!
thread2thread4finish!
finish!
thread5finish!
thread6finish!
thread7finish!
thread8finish!
thread9finish!

• 例3：thread执行带有引用参数的函数

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

template<class T> void changeValue(T &x, T val){
  
    x = val;
}

int main(){
  
    thread th[10];
    int num[10];
    for(int i = 0 ; i < 10;i++){
  
        th[i] = thread(changeValue<int> , ref(num[i]), i + 1);
    }
    for(int i =0 ;i <10;i++){
  
        th[i].join();
        cout << num[i] << " ";
    }
    return 0;
}

输出结果：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 

由于thread在传递参数时，是以右值传递的：

template <class Fn, class... Args>
explicit thread(Fn&& fn, Args&&... args)

划重点：Args&&… args
很明显的右值引用，那么我们该如何传递一个左值呢？std::ref和std::cref很好地解决了这个问题。

std::ref 可以包装按引用传递的值。 std::cref 可以包装按const引用传递的值。

注意事项

• 线程是在thread对象被定义的时候开始执行的，而不是在被调用join函数时才执行的。调用join函数只是阻塞等待线程结束并回收资源。
• 分离的线程（执行过detach的线程）会在调用它的线程结束或自己结束时释放资源。
• 线程会在函数运行完毕后自动释放，不推荐利用其他方法强制结束线程，可能会因资源未释放而导致内存泄露。
• 没有执行join或detach的线程在程序结束时会引发异常

std::atomic和std::mutex

为什么需要atomic和mutex

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

int  n = 0;
void plus_n(){
  
    for(int i =0 ;i < 10000;i++){
  
        n++;
    }
}
int main(){
  
    thread th[100];
    for(thread &x : th){
  
        x = thread(plus_n);
    }
    for(thread &x: th){
  
        x.join();
    }
    cout << " n : " << n << endl;
    return 0;
}

输出结果：

 n : 311747

我们的输出结果应该是1000000，可是为什么实际输出结果比1000000小呢？

在上文我们分析过多线程的执行顺序——同时进行、无次序，所以这样就会导致一个问题：多个线程进行时，如果它们同时操作同一个变量，那么肯定会出错。为了应对这种情况，c++11中出现了std::atomic和std::mutex。

std::mutex

std::mutex是c++11中最基本的互斥量，一个线程将mutex锁住时，其他的线程就不能操作mutex，直到这个线程将mutex解锁。根据这个特征，我们可以修改一下上述的代码：

主要需要引入头文件#include <mutex>

• 例四：std::mutex的使用

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

int  n = 0;
std::mutex mtx;
void plus_n(){
  
    for(int i =0 ;i < 10000;i++){
  
        mtx.lock();
        n++;
        mtx.unlock();
    }
}
int main(){
  
    thread th[100];
    for(thread &x : th){
  
        x = thread(plus_n);
    }
    for(thread &x: th){
  
        x.join();
    }
    cout << " n : " << n << endl;
    return 0;
}

输出结果：

 n : 1000000

mutex的常用成员函数

（这里用mutex代指对象）

std::lock_guard

使用lock_guard相比于mutex更加安全，它是基于作用域的，能够自解锁，当该对象创建时，它会像mutex.lock()一样获得互斥锁，当生命周期结束时，它会自动析构(unlock)，不会因为某个线程异常退出而影响其他线程。

int cnt = 20;
mutex m;

void t2()
{
  
    while (cnt > 0)
    {
  
        lock_guard<mutex> lockGuard(m);
        if (cnt > 0)
        {
  
            --cnt;
            cout << cnt << endl;
        }
    
    }
}

std::atomic

mutex很好地解决了多线程资源争抢的问题，但是它太…慢…了…！
以例四为标准，我们定义了100个thread，每个thread要循环10000次，每次循环都要加锁、解锁，这样固然会浪费很多的时间，那么该怎么办呢？接下来就是atomic大展拳脚的时间了。

• 例五：std::atomic的使用
  根据atomic的定义，我又修改了例四的代码：

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

atomic_int  n = 0;

void plus_n(){
  
    for(int i =0 ;i < 10000;i++){
  
        n++;
    }
}
int main(){
  
    thread th[100];
    for(thread &x : th){
  
        x = thread(plus_n);
    }
    for(thread &x: th){
  
        x.join();
    }
    cout << " n : " << n << endl;
    return 0;
}

输出结果：

 n : 1000000

代码解释

可以看到，我们只是改动了n的类型（int -> std::atomic _int），其他地方一点没动，输出却正常了。其中std::atomic_int是std::atomic<int>的别名。

atomic本意为原子，官方的解释是原子操作是最小且不可并行化的操作。这意味着即使是多线程，也要像同步进行一样同步操作atomic对象，从而省去了mutex上锁、解锁的时间消耗。

std::async

注意：std::async定义在future头文件中

为什么使用async而不是thread

thread可以快速、方便的创建线程，但是在async面前，就是小巫见大巫了。
async可以根据情况选择同步执行或创建线程来异步执行，当然也可以手动操作。对于async的返回值操作也比thread更加方便。

std::async参数

不同于thread，async是一个函数，所以没有成员函数。

std::launch强枚举类（enum class）

• 例六：std::async的使用

#include <iostream>
#include <future>

using namespace  std;

int main(){
  
    async(launch::async, [](const char *message){
  
      cout << message << flush;
    },"Hello,");
    cout << "World!" << endl;
    return 0;
}

输出结果：

Hello,World!

std::future

我们已经知道如何使用async来异步或同步执行任务，但如何获得函数的返回值呢？这时候，async的返回值std::future就派上用场了。

在之前的所有例子中，我们创建线程时调用的函数都没有返回值，但如果调用的函数有返回值呢？

• 例七：std::future的使用

#include <iostream>
#include <future>

using namespace  std;

template<class ... Args> // c++17折叠表达式
// decltype(auto)是C++14新增的类型指示符，可以用来声明变量以及指示函数返回类型。
decltype(auto) sum(Args&&... args){
  
    return (0 + ... + args); // "0+"避免空参数包错误
}

int main(){
  
    future<int> val = async(launch::async, sum<int,int,int>,1,10,100);
    cout << val.get() << endl ; // 阻塞等待线程结束并返回值
    return 0;
}

输出结果：

111

代码解释：
我们定义了一个函数sum，它可以计算多个数字的和，之后我们又定义了一个对象val，它的类型是std::future<int>, 这里的int代表这个函数的返回值是int类型。在创建线程后，我们使用了future::get()来阻塞等待线程结束并获取其返回值。

std::future常用成员函数

为什么要有void特化的std::future

std::future的作用并不只有获取返回值，它还可以检测线程是否已结束、阻塞等待，所以对于返回值是void的线程来说，future也同样重要。

• 例八 void特化std::future

#include <iostream>
#include <future>

using namespace  std;

void count_big_number(){
  
    // c++14中，可以给数字中间加上单引号来分割数组，增强可读性
    for(int i =0 ; i <= 100'0000'0000 ; i++);
}

int main(){
  
    future<void> fut = async(launch::async, count_big_number);
    cout << "Please wait" << flush;
    // 每次等待1秒
    while(fut.wait_for(chrono::seconds(1)) != future_status::ready){
  
        cout << "," << flush;
    }
    cout << endl << "finished!" << endl;
    return 0;
}

等待线程运行结束，等待期间每过1秒输出一个“，”

输出结果：

Please wait,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
finished

std::promise

在上文，我们已经讲到如何获取async创建线程的返回值。不过在某些特殊情况下，我们可能需要使用thread而不是async，那么如何获得thread的返回值呢？

还记得之前我们讲的thread成员函数吗？thread::join()的返回值是void类型，所以你不能通过join来获得线程返回值。只能通过传递引用的方式来获取返回值。

假如你写一个函数，需要返回3个值，那你会怎么办呢？vector？嵌套pair？不不不，都不需要，3个引用参数就可以了。

void get_circle(double r, double &d, double &c, double &s) {
  
	d = r * 2;
	c = PI * d;
	s = PI * r * r;
}

promise实际上是std::future的一个包装，在讲解future时，我们并没有牵扯到改变future值的问题，但是如果使用thread以引用传递返回值的话，就必须要改变future的值，那么该怎么办呢？

实际上，future的值不能被改变，但你可以通过promise来创建一个拥有特定值的future

• 例九 std::future的值不能改变，那么如何利用引用传递返回值
  

std::promise常用成员函数

• 例十：std::promise的使用

#include <iostream>
#include <future>

using namespace  std;

template<class ... Args>
decltype(auto) sum(Args&& ... args){
  
    return (0 + ... + args);
}

template<class ... Args>
void sum_thread(promise<long long> &val, Args&& ... args){
  
    val.set_value(sum(args...));
}

int main(){
  
    promise<long long> sum_value;
    thread get_sum(sum_thread<int,int,int>,ref(sum_value),1,10,100);
    cout << sum_value.get_future().get() << endl;
    get_sum.join();
    return 0;
}

输出结果：

111

std::this_thread

在头文件中，不仅有std::thread这个类，而且还有一个std::this_thread命名空间，它可以很方便地让线程对自己进行控制。

• 例十一：std::this_thread中常用函数的使用

#include <iostream>
#include <future>

using namespace  std;

atomic_bool ready = false;

void sleep(uintmax_t ms){
  
    this_thread::sleep_for(chrono::microseconds(ms));
}

void record(){
  
    while(!ready) {
  
        this_thread::yield();
    }
     cout << "thread [" << this_thread::get_id() << "] finished!" << endl;

}

int main(){
  
    thread th[10];
    for(int i =0 ; i < 10; i++){
  
        th[i] = thread(record);
    }
    sleep(5000);
    ready = true;
    cout << "Start! " << endl;
    for (int i = 0; i < 10; i++){
  
        th[i].join();
    }
    return 0;
}

输出结果：

thread [thread [140244805338880140244796946176thread [] finished!] finished!Start! 140244813731584
thread [140244838909696] finished!
thread [140244788553472] finished!
thread [140244855695104] finished!
thread [140244780160768thread [] finished!
thread [140244830516992
140244822124288] finished!
] finished!

thread [140244847302400] finished!
] finished!