c++11 新特性之线程相关所有知识点

程序喵大人

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发布于: 2020 年 05 月 10 日

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;}

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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;}

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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));

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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;}

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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;}

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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;}

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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();    }};

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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;}

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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;

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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;};

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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;}

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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;}

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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;}

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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...);

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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

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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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关于 c++11 关于并发的新特性就介绍到这里，大家有问题可以给我留言~