c++11多线程库

标准线程库，c++11引入，包含原子操作库、互斥锁、条件变量。。。

一、线程库<thread>

创建线程的四种方法：

1. 通过全局函数创建线程

线程类的构造函数是变参构造函数，第一个参数是线程函数，后面的参数为线程函数的参数（参数通过值传递方式，若要引用传递须加std::ref()）。

thread   t1 (counter， 1， 6);   //void counter(int, int);

2. 通过函数对象创建线程

//class Counter 实现 operator()

1） thread   t1{Counter(1, 20)};   //c++统一推荐方法

2） Counter    c(1, 20);

　　 thread   t2(c);

3） thread   t3(Counter(1,20));

比较第一种和第三种构造方式，如果函数对象的构造函数不需要任何参数。 thread  t3(Counter());是不行的，因为编译器会认为你在声明一个函数，函数名为t3，此时只能用第一种构造方式。

3. 通过lambda表达式创建线程

thread   t1 ([](int, int){/*函数体*/}， 1， 6); 

4. 通过成员函数创建线程

// class Counter  c();

thread   t{&Counter::process, &c};

一般常见的是一个类自己创建一个后台处理线程：thread   t{&Counter::process, this};

线程本地存储 thread_local

thread_local    int   n;

n作为线程参数传递给线程，那么每个线程有一个n的副本，在线程整个生命周期中存在，且只初始化一次，如同static局部变量。

二、原子操作库<atomic>

多线程编程经常需要操作共享的内存，在读/写过程中会导致竞争条件。

例如：

int   counter = 0;

............

++counter;　　//因为++counter不时原子操作，多个线程中出现此操作时不是线程安全的。

应该用：

atomic<int>   counter(0);　　//等效于 atomic_int   counter(0);

............

++counter;　　//此时多个线程执行++counter是一个原子操作，是线程安全的。

例：

void   func( std::atomic<int>&   counter)
{
　　for( int   i=0;   i<1000;   ++i )
　　　　++counter;
}

int   main()
{
　　std::atomic<int>   counter(0);
　　std::vector<std::thread>   threads;

　　for( int i=0;   i<10;   ++i )
　　　　//线程参数总是值传递，若要传递引用，须加std::ref()。（头文件<functional>中）
　　　　threads.push_back( std::thread{ func, std::ref(counter)} );

　　for( auto&   t  :  threads )
　　　　t.join();　　　　//调用join，如果线程未结束，则main函数阻塞于此。

　　std::count<<"Result="<<counter<<std::endl;

　　return 0;
}

/*join的调用会导致调用线程阻塞于此，若不希望调用线程阻塞，但又想知道被调线程是否结束，应当用其它方式，例如消息...*/

三、互斥 <mutex>

编写多线程必须分外留意操作顺序，如果无法避免线程共享数据，则必须提供同步机制，保证一次只有一个线程能更改数据。使用互斥解决竞争条件，可能导致死锁。

1. 互斥体类

1） 非定时互斥体类   std::mutex         std::recursive_mutex

　　lock() : 尝试获取锁，并且阻塞直到获取锁。

　　try_lock() : 尝试获取锁，并立即返回，成功获取返回true，否则false。

　　unlock() : 释放锁。

mutex与recursive_mutex的区别在于，前者已经获得所后不得再尝试获取，这会死锁，后者能递归获取，注意释放次数应与获取次数相等。

2） 定时互斥锁类   std::timed_mutex     std::recursive_timed_mutex

　　lock() ,      try_lock() ,        unlock()

　　try_lock_for(rel_time) : 指定相对时间内获得返回true， 超时返回false。

　　try_lock_until(abs_time) : 指定系统绝对时间内获得返回true， 超时返回false。

timed_mutex与recursive_timed_mutex区别同上。

2. 锁类

锁类是一个包装器，析构函数会自动释放关联的互斥体。

1） 简单锁   std::lock_guard

　　其构造函数会要求获得互斥体，并阻塞直到获得锁。

2） 复杂锁   std::unique_lock　

     explict   unique_lock( mutex_type&   m); //阻塞直到获得锁。

　　unique_lock(mutex_type&   m,   defer_lock_t)  noexcept; //保存一个互斥体引用，不会立即尝试获得锁。锁可以在以后获得。

　　unique_lock(mutex_type&   m,   try_to_lock_t); //尝试获得引用的互斥锁，未能获得也不阻塞。

　　unique_lock(mutex_type&   m,   adopt_lock_t); //该锁假定线程获得引用的互斥锁，并负责管理这个锁。

　　template<class Clock,   class Duration>
　　unique_lock(mutex&  m,  const  chrono::time_point<Clock, Duration>&  abs_time); //尝试获取该锁，直到超过给定的绝对时间。

　　template<class Rep,   class Period>
　　unique_lock(mutex&  m,  const  chrono::duration<Rep, Period>&  rel_time); //尝试获取该锁，直到超过给定的相对时间。

unique_lock类还支持lock(), try_lock(), try_lock_for(), try_lock_until()等方法。

通过owns_lock()查看是否获得了这个锁；也可以用if对unique_lock对象直接判断是否获得锁，因为它定义了bool()运算符。

3. 获得多个互斥体对象上的锁

1） 泛型lock可变参数模板函数

　　template <class L1,  class L2,  class...L3>

　　void  lock(L1&,  L2&,  L3&...);

按顺序锁定，如果一个互斥体抛出异常，会对已获得的锁unlock。

2） 泛型try_lock

　　template <class L1,  class L2,  class...L3>

　　int  try_lock(L1&,  L2&,  L3&...);

通过顺序调用互斥体对象的try_lock，成功返回-1，失败返回从0开始的位置索引，并对已获得的锁unlock。

参数顺序每次应保持一致， 否则易死锁。

4. std::call_once         std::once_flag

保证call_once调度的函数只被执行一次。

5. 实例：

// 1. 简单锁
mutex   mMutex;
lock_guard<mutex> mLock(mMutex);

// 2. 定时锁
timed_mutex   mTimeMutex;
unique_lock<timed_mutex> mLock(mTimedMutex, chrono::milliseconds(200));

// 3. 泛型
mutex   mut1;
mutex   mut2;
unique_lock<mutex>  lock1(mut1, defer_lock_t());
unique_lock<mutex>  lock2(mut2, defer_lock_t());
lock(lock1, lock2);

// 4. 双重检查锁定算法 （代替call_once的用法）
class MyClass
{
public:
     void init() { p = new int(0);   cout<<"Init"<<endl;}
private:
     int *p;
}

MyClass  var;
bool  initialized = false;
mutex   mut;
void  func() 
{
     if( ! initialized)               //一次检查
     {
           unique_lock<mutex>  lock1(mut);
           if( ! initialized)         //两次检查
           {
                 var.init();
                 initialized  = true;
           }
     }
     cout<<"OK"<<endl;
}
//两次检查initialized。获得锁之前和获得锁之后，确保init只调用一次。

四、条件变量 <condition_variable>

1. std::condition_variable　　只能等待unique_lock<mutex>的条件变量

 notify_one();  //唤醒等待这个条件变量的线程之一
 notify_all();    //唤醒所有等待这个条件变量的线程

 // 1）前提是已经获得lk的锁
 // 2）调用wait会unlock  lk，然后等待
 // 3）当被唤醒后 lock  lk
 wait( unique_lock<mutex>& lk);  

 wait_for(unique_lock<mutex>& lk, const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time);

 wait_until(unique_lock<mutex>&lk, const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time);

2. std::condition_variable_any      支持任何类型的Lock类

3.

//例：向队列中加入数据，当队列不为空时，后台线程被唤醒处理数据
std::queue<std::string> mQueue;
std::mutex                   mMutex;
std::condition_variable   mCondVar;


//向队列加入数据的线程
unique_lock<mutex>  lock(mMutex);
mQueue.push( data);
mCondVar.notify_all();


//后台处理数据的线程
unique_lock<mutex>  lock(mMutex);
while(true)
{
     //1.先释放lock  2.然后等待被唤醒  3.被唤醒后等待获取lock
     mCondVar.wait(lock);

     // process...
}

五、 future

promise/future模型方便获取线程返回的结果、线程间通信、处理异常