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我干了什么?究竟拿了时间换了什么?

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C++-11-Thread

发表于 更新于 分类于 ，

概述

C++ 11 标准下对thread库。阅读的书是《深入应用C++11：代码优化与工程级应用》。ISBN-987-7-111-50069-8。第5章。

之前的c++在每个平台下有不同的多线程API接口，如果之前制作多线程时候，需要考虑平台差异性。新标准将其统一了。

  • 线程同步的互斥量
  • 用于线程间通讯的条件变量
  • 线程安全的原子变量、
  • 异步操作的future、promise和task，async等。

线程

线程的创建

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void f1(int n)
{
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "Thread " << n << " executing\n";
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));
    }
}

void f2(int& n)
{
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "Thread 2 executing\n";
        ++n;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));
    }
}

void test_create_thread()
{
    int n = 0;
    std::thread t1; // t1 is not a thread
    std::thread t2(f1, n + 1); // pass by value
    std::thread t3(f2, std::ref(n)); // pass by reference
    std::thread t4(std::move(t3)); // t4 is now running f2(). t3 is no longer a thread
    t2.join();
    t4.join();
    std::cout << "Final value of n is " << n << '\n';
}

基本用法

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t.get_id(); // 获取当前线程编号
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10)); // sleep函数
std::cout << std::thread::hardware_concurrency() << std::endl; // 获取硬件CPU个数
std::this_thread::get_id(); // 获取当前的线程；

互斥量

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std::mutext 独占的互斥量，不支持递归
std::timed_mutext 带超时的独互斥量，不能递归使用
std::recursive_mutex 递归互斥量，不能支持超时
std::recursive_timed_mutex 带超时的递归互斥量

可以写一个例子来尝试。

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std::mutex mutex;
std::recursive_mutex r_mutex;
std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(mutex);
// 带超时的互斥量
std::timed_mutex t_mutex;
std::chrono::milliseconds timeout(100);
if (t_mutex.try_lock_for(timeout)) {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000)); 
    t_mutex.unlock();
} else {
    std::cout << "is timeout." << std::endl;
}

使用 RAII 方式来加锁，解锁。

  • std::lock_guard c++ 11
  • std::unique_lock c++ 11
  • std::shared_lock c++ 11
  • std::scoped_lock c++ 17

能通过在构造的时，指定加锁策略：

策略 描述
std::defer_lock 不请求锁
std::try_to_lock 尝试请求锁，但不阻塞线程，锁不可用立即返回
std::adopt_lock 假设当前线程已经获取了互斥对象的所有权，不会加锁 
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std::mutex mt;
std::unique_lock<std::mutex> lck(mt, std::defer_lock);
assert(lck.owns_lock() == false);
lck.lock();
assert(lck.owns_lock() == true);

lock_guard使用的范围比较广，效率也比较高。lock_guard里面存储的mutex是_Mutex& _MyMutex，unique_lock里面使用的_Mutex* _Pmtx。unique_lock可以将所有权转移出去。

条件变量

等待同步机制，它能阻塞一个或者多个线程，一直到收到另外以恶线程发出的通知或超时，才会唤醒当前阻塞的线程。

condition_variable 配合 std::unique_lock 进行 wait 操作。
condition_variable_any 和任意带 lock, unlck 语义的 mutex 搭配起来使用，拥有灵活性，但是效率比 condition_variable 差一些。

工作流程：

  1. 创建一个 mutex 对象；
  2. 线程循环中检查这个条件是否有；
  3. 外部线程调用 notify_once、notify_all 唤起一个线程或者唤起全部线程；
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#include <iostream>
#include <string>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
 
std::mutex m;
std::condition_variable cv;
std::string data;
bool ready = false;
bool processed = false;
 
void worker_thread()
{
    // 等待直至 main() 发送数据
    std::unique_lock<std::mutex> lk(m);
    cv.wait(lk, []{return ready;});
 
    // 等待后，我们占有锁。
    std::cout << "Worker thread is processing data\n";
    data += " after processing";
 
    // 发送数据回 main()
    processed = true;
    std::cout << "Worker thread signals data processing completed\n";
 
    // 通知前完成手动解锁，以避免等待线程才被唤醒就阻塞（细节见 notify_one ）
    lk.unlock();
    cv.notify_one();
}
 
int main()
{
    std::thread worker(worker_thread);
 
    data = "Example data";
    // 发送数据到 worker 线程
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(m);
        ready = true;
        std::cout << "main() signals data ready for processing\n";
    }
    cv.notify_one();
 
    // 等候 worker
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lk(m);
        cv.wait(lk, []{return processed;});
    }
    std::cout << "Back in main(), data = " << data << '\n';
 
    worker.join();
}

原子操作

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std::atomic<T> value;

call_once/once_flag的使用

为了让某个函数只调用一次，确保多线程初始化一次。就是只有once_flag。

异步操作

promise

在外部创建一个std::promise对象传入线程内部，在外部可以使用promise获取一个future探测是否已经返回了数据。

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std::promise<int> pr;
std::thread t([](std::promise<int>& p) {
 p.set_value_at_thread_exit(9); }, std::ref(pr));
std::future<int> f = pr.get_future();
auto r = f.get();

future

future存在三个状态：Deferred 未开始、 Ready 已经操作完成、Timeout 异步操作已经超时。

可调用对象的包装类std::packaged_task。可以直接使用这个类加上lambda表达式，将函数包装，传递给std::thread做一个异步操作。从task包装类中也能获取future对象。

packaged_task

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std::packaged_task<int(int)> tsk(func);
std::future<int> fut = tsk.get_future();
std::thread(std::move(tsk), 2).detach();
int value = fut.get();

promise和packaged_task有些像，都是为了打通thread和外部的纽带。

std::future和std::shared_future差别是，前者只能std::move，而另外的可以被拷贝。

async

std::async比起std::promise、std::packaged_task加上std::thread更高一层。

函数原型async(std::launch::async|std::launch::deferred,f,args...)。

async是马上启动这个异步函数，deferred是挂起，等着外部调用了get、wait之后才会启动函数允许。

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void test_async()
{
 std::future<int> f1 = std::async(std::launch::async, []() {
  return 8;
  });
 std::cout << f1.get() << std::endl;
 std::future<int> f2 = std::async(std::launch::async, []() {
  std::cout << 8 << endl;
  });
 f2.wait();
 std::future<int> f3 = std::async(std::launch::async, []() {
  std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));
  return 8;
  });

 std::cout << "waiting ... \n";
 std::future_status status;
 do {
  status = f3.wait_for(std::chrono::seconds(1));
  if (status == std::future_status::deferred) {
   std::cout << "deferred\n";
  }
  else if (status == std::future_status::timeout) {
   std::cout << "timeout!\n";
  }
  else if (status == std::future_status::ready) {
   std::cout << "ready!\n";
  }
 } while (status != std::future_status::ready);

 std::cout << "result is " << f3.get() << std::endl;
}

总结

  1. 线程的创造；
  2. 互斥量；
  3. 条件变量，调度多线程；
  4. 原子变量；
  5. call_once 多线程下面只允许一次运行；
  6. future 与 promise 或者 package_task 加上 thread 构建异步线程调用，获取返回值的；
  7. async 函数是更高层的封装，能直接将 promise / package_task + thread 概括掉

参考