C++11 thread

windows系统中，需要vs2012才支持。


1.线程的创建
C++11线程类std::thread，头文件include <thread>
首先，看一个最简单的例子：

void my_thread()
{
    puts("hello, world");
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    std::thread t(my_thread);
    t.join();

    system("pause");
    return 0;
}

实例化一个线程对象t，参数my_thread是一个函数，在线程创建完成后将被执行，
t.join()等待子线程my_thread执行完之后，主线程才可以继续执行下去，此时主线程会
释放掉执行完后的子线程资源。


当然，如果不想等待子线程，可以在主线程里面执行t.detach()将子线程从主线程里分离，
子线程执行完成后会自己释放掉资源。分离后的线程，主线程将对它没有控制权了。
相对于以前使用过的beginthread传多个参数需要传入struct地址，
boost::thread传参需要bind，std::thread传参真的非常方便，而且可读性也很好。
下面例子在实例化线程对象的时候，在线程函数my_thread后面紧接着传入两个参数。

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <thread>
#include <string>

void my_thread(int num, const std::string& str)
{
    std::cout << "num:" << num << ",name:" << str << std::endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int num = 1234;
    std::string str = "tujiaw";
    std::thread t(my_thread, num, str);
    t.detach();

    system("pause");
    return 0;
}

2.互斥量
多个线程同时访问共享资源的时候需要需要用到互斥量，当一个线程锁住了互斥量后，其他线程必须等待这个互斥量解锁后才能访问它。thread提供了四种不同的互斥量：
独占式互斥量non-recursive (std::mutex)
递归式互斥量recursive (std::recursive_mutex)
允许超时的独占式互斥量non-recursive that allows timeouts on the lock functions(std::timed_mutex)
允许超时的递归式互斥量recursive mutex that allows timeouts on the lock functions (std::recursive_timed_mutex)


独占式互斥量
独占式互斥量加解锁是成对的，同一个线程内独占式互斥量在没有解锁的情况下，再次对它进行加锁这是不对的，会得到一个未定义行为。
如果你想thread1输出10次10，thread2输出10次20，如果你想看到一个正确的显示效果，下面程序是做不到的，因为在thread1输出的时候，
thread2也会执行，输出的结果看起来有点乱（std::cout不是线程安全的），所以我们需要在它们访问共享资源的时候使用互斥量加锁。打开代码里面的三行注释就可以得到正确的结果了。在线程1中std::mutex使用成员函数lock加锁unlock解锁，看起来工作的很好，但这样是不安全的，你得始终记住lock之后一定要unlock，但是如果在它们中间出现了异常或者线程直接退出了unlock就没有执行，因为这个互斥量是独占式的，所以在thread1没有解锁之前，其他使用这个互斥量加锁的线程会一直处于等待状态得不到执行。lock_guard模板类使用RAII手法封装互斥量，在实例化对象的时候帮你加锁，并且能保证在离开作用域的时候自动解锁，所以你应该用lock_guard来帮你加解锁。

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <thread>
#include <string>
#include <mutex>

int g_num = 0;
std::mutex g_mutex;

void thread1()
{
    //g_mutex.lock();
    g_num = 10;
    for (int i=0; i<10; i++){
        std::cout << "thread1:" << g_num << std::endl;
    }
    //g_mutex.unlock();
}

void thread2()
{
    //std::lock_guard<std::mutex> lg(g_mutex);
    g_num = 20;
    for (int i=0; i<10; i++){
        std::cout << "thread2:" << g_num << std::endl;
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    std::thread t1(thread1);
    std::thread t2(thread2);
    t1.join();
    t2.join();

    system("pause");
    return 0;
}

递归式互斥量
与独占式互斥量不同的是，同一个线程内在互斥量没有解锁的情况下可以再次进行加锁，不过他们的加解锁次数需要一致，递归式互斥量我们平时可能用得比较少些。


允许超时的互斥量
如果线程1对共享资源的访问时间比较长，这时线程2可能等不了那么久，所以设置一个超时时间，在超时时间内如果线程1中的互斥量还没有解锁，线程2就不等了，继续往下执行。
lock_guard只是提供了对互斥量最基本的加解锁封装，而unique_lock提供了多种构造方法，使用起来更加灵活，对于允许超时的互斥量需要使用unnique_lock来包装。

std::timed_mutex g_timed_mutex;
void thread1()
{
    std::unique_lock<std::timed_mutex> tl(g_timed_mutex);
    ::Sleep(3000); // 睡眠3秒
    puts("thread1");
}

void thread2()
{
    std::unique_lock<std::timed_mutex> tl(g_timed_mutex, std::chrono::milliseconds(1000)); // 超时时间1秒
    puts("thread2");
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    std::thread t1(thread1);
    ::Sleep(100); // 让线程1先启动
    std::thread t2(thread2);
    t1.join();
    t2.join();

    system("pause");
    return 0;
}

注意死锁
有时，一个操作需要对一个以上的mutex加锁，这时请注意了，这样很可能造成死锁。

struct Widget
{
    std::mutex mutex_;
    std::string str_;
};

void foo(Widget& w1, Widget& w2)
{
    std::unique_lock<std::mutex> t1(w1.mutex_);
    std::unique_lock<std::mutex> t2(w2.mutex_);
    // do something
}
Widget g_w1, g_w2;

当一个线程调用foo(g_w1, g_w2),另外一个线程调用foo(g_w2, g_w1)的时候，
线程1：                线程2：
w1.mutex_.lock         ...
...                    w2.mutex_.lock
...                    ...
w2.mutex_.lock等待     ...
                       w1.mutex_lock等待
可能的执行顺序：
线程1中的w1上锁；
线程2中的w2上锁；
线程1中的w2上锁，此时由于w2已经在线程2中上过锁了，所以必须等待；
线程2中的w1上锁，此时由于w1已经在线程1中上过锁了，所以必须等待；
这样两个线程都等不到对方释放锁，都处于等待状态造成了死锁。
thread提供了一个std::lock函数可以对多个互斥量同时加锁，每个线程里面的
w1和w2会同时上锁，他们之间就没有间隙了，如上将foo函数改为如下形式就可以了：

void foo(Widget& w1, Widget& w2)
{
    std::unique_lock<std::mutex> t1(w1.mutex_, std::defer_lock);
    std::unique_lock<std::mutex> t2(w2.mutex_, std::defer_lock);
    std::lock(t1, t2);
    // do something
}

在实例化的时候先不要加锁，等到两个对象都创建完成之后再一起加锁。


在初始化的时候保护数据

如果你的数据仅仅只在初始化的时候进行保护，使用一个互斥量是不行的，在初始化完成后会导致没必要的同步，C++11提供了一些方法来解决这个问题。

3.线程间同步，条件变量

如果我们在线程间共享数据，经常会存在一个线程等待另外一个线程的情况，它们之间存在先后关系。

这个与互斥量不同，互斥量是保证多个线程的时候当前只有一个线程访问加锁的代码块，它们之间是不存在先后关系的。

如下例子：线程1需要等到线程2将flag设置为非0才进行打印

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <functional>

class Foo
{
public:
    Foo()
        : flag_(0)
        , thread1_(std::bind(&Foo::threadFunc1, this))
        , thread2_(std::bind(&Foo::threadFunc2, this))
    {
    }

    ~Foo()
    {
        thread1_.join();
        thread2_.join();
    }

private:
    void threadFunc1()
    {
        {
            std::unique_lock<std::mutex> ul(mutex_);
            while (0 == flag_) {
                cond_.wait(ul);
            }
            std::cout << flag_ << std::endl;
        }
    }

    void threadFunc2()
    {
        // 为了测试，等待3秒
        std::this_thread::sleep_for((std::chrono::milliseconds(3000)));
        std::unique_lock<std::mutex> ul(mutex_);
        flag_ = 100;
        cond_.notify_one();
    }

    int flag_;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable cond_;
    std::thread thread1_;
    std::thread thread2_;
};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    Foo f;

    system("pause");
    return 0;
}

从代码可以看出，虽然线程1明显比线程2快些（人为制造等待3秒），但是线程1还是会等待线程2将flag设置为非0后才进行打印的。

这里有几个地方需要注意：

1> Foo类成员变量定义的顺序，mutex和cond必须在thread的前面。

原因是：如果线程的定义在前面，线程初始化完成之后立马会执行线程函数，而线程函数里用到了mutex和cond，此时如果mutex和cond还没初始化完成，就会出现内存错误。

2>由于同时有两个线程需要操作flag变量，所以在读写的时候要加锁， std::unique_lock<std::mutex>会保证构造的时候加锁，离开作用域调用析构的时候解锁，所以不用担心加解锁不匹配。

3>threadFunc1中的while (0 == flag_)， 必须这样写不能写成if (0 == flag_)，因为在多核CPU下会存在虚假唤醒（ spurious wakes）的情况。

4>cond_.wait(ul);条件变量在wait的时候会释放锁的，所以其他线程可以继续执行。

4.线程池

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <functional>
#include <thread>
#include <string>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <vector>
#include <memory>
#include <assert.h>
#include <algorithm>
#include <queue>
#include <process.h>
#include <Windows.h>

class ThreadPool
{
public:
    typedef std::function<void()> Task;

    ThreadPool(int num)
        : num_(num)
        , maxQueueSize_(0)
        , running_(false)
    {
    }

    ~ThreadPool()
    {
        if (running_) {
            stop();
        }
    }

    ThreadPool(const ThreadPool&) = delete;
    void operator=(const ThreadPool&) = delete;

    void setMaxQueueSize(int maxSize)
    {
        maxQueueSize_ = maxSize;
    }

    void start()
    {
        assert(threads_.empty());
        running_ = true;
        threads_.reserve(num_);
        for (int i = 0; i<num_; i++) {
            threads_.push_back(std::thread(std::bind(&ThreadPool::threadFunc, this)));
        }
    }

    void stop()
    {
        {
            std::unique_lock<std::mutex> ul(mutex_);
            running_ = false;
            notEmpty_.notify_all();
        }

        for (auto &iter : threads_) {
            iter.join();
        }
    }

    void run(const Task &t)
    {
        if (threads_.empty()) {
            t();
        }
        else {
            std::unique_lock<std::mutex> ul(mutex_);
            while (isFull()) {
                notFull_.wait(ul);
            }
            assert(!isFull());
            queue_.push_back(t);
            notEmpty_.notify_one();
        }
    }

private:
    bool isFull() const
    {
        return maxQueueSize_ > 0 && queue_.size() >= maxQueueSize_;
    }

    void threadFunc()
    {
        printf("create id:%d
", ::GetCurrentThreadId());
        while (running_) {
            Task task(take());
            if (task) {
                task();
            }
        }
        printf("thread id:%d
", ::GetCurrentThreadId());
    }

    Task take()
    {
        std::unique_lock<std::mutex> ul(mutex_);
        while (queue_.empty() && running_) {
            notEmpty_.wait(ul);
        }
        Task task;
        if (!queue_.empty()) {
            task = queue_.front();
            queue_.pop_front();
            if (maxQueueSize_ > 0) {
                notFull_.notify_one();
            }
        }
        return task;
    }

private:
    int num_;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable notEmpty_;
    std::condition_variable notFull_;
    std::vector<std::thread> threads_;
    std::deque<Task> queue_;
    size_t maxQueueSize_;
    bool running_;
};

void fun()
{
    printf("[id:%d] hello, world!
", ::GetCurrentThreadId());
}

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    {
        printf("main thread id:%d
", ::GetCurrentThreadId());
        ThreadPool pool(3);
        pool.setMaxQueueSize(100);
        pool.start();
        //std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(3000));

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            pool.run(fun);
        }
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(3000));
    }

    system("pause");
    return 0;
}