C++学习笔记--多线程
线程与进程优缺点对比:
多线程开销小,但难于管理,且不能用于分布式系统;
多进程开销大,操作系统会进行一部分管理,因此用户管理就比较简单,可用于分布式;
通常多线程和多进程结合使用。
代码实例:
1 最简单的多线程
#include <iostream> #include <thread> void function_1() { std::cout <<"www.oxox.work"<<std::endl; false="" int="" pre="" return="" std::thread="">
2 主线程和子线程交叉运行
#include #include using namespace std; void function_1() { cout <<"www.oxox.work"< -100; --i) { cout << "from t1: " << i << endl; } } }; int main() //主线程 { //std::thread t1(function_1); //使用函数创建并初始化一个线程,且线程开始运行 Factor fct; std::thread t1(fct); //使用函数对象创建并初始化一个线程 try { for(int i = 0; i < 100; ++i) { cout << "from main: " << i << endl; } } catch(...) //上面的for循环属于主线程,如果上面抛出异常,但是没有try catch,主线程终止,t1线程也终止了,这样是非线程安全的。添加try catch之后,即使主线程异常,t1线程也能正常执行结束 { t1.join(); //主线程将等待t1线程结束后再运行 throw; } return 0; }
3 主线程和子线程之间实现内存共享
#include #include #include using namespace std; void function_1() { cout <<"www.oxox.work"<
4 线程移动与线程ID
#include <iostream> #include <thread> #include <string> using namespace std; void function_1() { cout <<"www.oxox.work"<<endl; cout="" factor="" from="" i="" id="" int="" love="" main:="" pre="" public:="" return="" s="" std::thread="" string="" t1:="" t2="std::move(t1);" void="">
5 线程安全
下面的代码是非线程安全的,主线程和t1线程将竞争资源cout,只要竞争到资源就随时可以将内容写入到输出流cout,使得输出看起来是下面这样的:
from t1: 0 from t1: -1 from t1: -2 from main: 0 from main: 1 from main: 2 from main: 3 from main: 4 from main: 5 from main: 6 from main: 7 from t1: -3 from t1: -4 from t1: -5
#include #include #include using namespace std; void function_1() { for(int i = 0; i > -100; --i) { cout
可以加mutex锁,有线程正在使用cout,其他线程就不能使用,这样cout在当前程序中是线程安全的,能使得输出是有序的,是下面这样的:
from main: 0 from t1: 0 from main: 1 from t1: -1 from main: 2 from t1: -2 from main: 3 from t1: -3 from main: 4 from t1: -4 from main: 5 from t1: -5
#include #include #include #include using namespace std; std::mutex mtx; void shared_print(string s, int id) { mtx.lock(); cout -100; --i) { shared_print("from t1: ",i); } } int main() //主线程 { std::thread t1(function_1); for(int i = 0; i
上面的代码中,当shared_print函数中cout那一行抛出异常时,mtx.unclock()不会被执行,mtx将被永远地锁住。这时可以使用std::lock_guard来保证mtx会被解锁。shared_print函数修改如下:
void shared_print(string s, int id) { std::lock_guard locker(mtx); //lock_guard对象创建时会自动对mtx加锁,离开作用域被析构时,mtx会被自动解锁,这样即使cout这行发生异常,mtx也能被解锁了 cout
但是上面的代码仍然不是安全的,因为cout是个全局变量,并没有完全在mtx的保护下,其他线程仍然可以在不加锁的情况下使用cout。为了完整地保护资源,必须使资源和互斥对象进行绑定。代码如下:
#include #include #include #include #include using namespace std; class LofFile { public: LofFile() { f.open("log.txt"); } void shared_print(string s, int id) { std::lock_guard locker(m_mutex); f -100; --i) { log.shared_print("from t1: ",i); } } int main() //主线程 { LofFile log; std::thread t1(function_1, std::ref(log)); for(int i = 0; i
上面的代码将资源std::ofstream f和互斥对象std::mutex m_mutex定义在LogFile类中,类外的线程不可访问资源f,使用类对象的shared_print函数的线程也能保证资源f必定有一个互斥对象m_mutex来保护。简单地讲,就是资源和互斥对象必定成对地出现在同一个作用域中,因此资源一定会受互斥对象保护。注意,这里的代码使用了资源std::ofstream f,而不是cout,是因为cout是全局的资源。
6 避免死锁
死锁是指两个线程互相锁住,互相等待释放,却不能释放,下面的代码发生了死锁,程序的输出可能是这样的(程序被暂停在某处,并没有成功执行完毕):
from t1: 0 from main: 0 from t1: -1 from main: 1
#include #include #include #include #include using namespace std; class LofFile { public: LofFile() { f.open("log.txt"); } void shared_print(string s, int id) //函数被t1线程调用 { std::lock_guard locker(m_mutex); std::lock_guard locker2(m_mutex2); cout locker2(m_mutex2); std::lock_guard locker(m_mutex); cout -100; --i) { log.shared_print("from t1: ",i); } } int main() //主线程 { LofFile log; std::thread t1(function_1, std::ref(log)); for(int i = 0; i
上面的代码中,m_mutex和m_mutex2在两个线程中加锁的顺序是相反的,如果将语句的顺序改成一致就不会发生死锁。在C++标准库中提供了std::lock,是规范的处理死锁问题的方法,把上面的两个函数改成下面这样:
void shared_print(string s, int id) //函数被t1线程调用 { std::lock(m_mutex, m_mutex2); //std::lock可以指定锁的顺序,参数为lock1,lock2,...,lockn,它的参数个数是不固定的,有多少个锁就可以使用多少个参数 std::lock_guard locker(m_mutex, std::adopt_lock); //这里添加std::adopt_lock是告知locker,m_mutex已经被锁住,locker要做的只是获得m_mutex的所有权,然后在析构时将其解锁即可 std::lock_guard locker2(m_mutex2, std::adopt_lock); cout locker2(m_mutex2, std::adopt_lock); std::lock_guard locker(m_mutex, std::adopt_lock); cout
上面的代码中,即使locker和locker2的顺序是相反的,但是m_mutex和m_mutex2加锁的顺序是相同的,因为std::lock指定了加锁的顺序。 为了避免程序设计中出现死锁,可以遵循以下几条规则: (1)使用一个mutex即可满足要求的场合,绝不使用两个mutex; (2)如果某个作用域中已经使用了一个mutex,那么要小心该作用域中的函数调用,因为该函数调用中可能包括其他mutex; (3)无法避免地需要使用两个以上mutex时,尽量使用std::lock指定锁的顺序,但是在某些极端情况下std::lock无法使用,就要小心地保证加锁的语句顺序。
7 Unique Lock和call_once
#include #include #include #include #include using namespace std; class LogFile { public: LogFile() { f.open("log.txt"); } void shared_print(string s, int id) { //std::lock_guard locker(m_mutex); //lock_guard对象在构造时自动m_mutex加锁,在析构时自动对m_mutex解锁,用户无法*控制何时加锁解锁 //std::unique_lock locker(m_mutex); //unique_lock可以起到与lock_guard一样的功能,默认情况下是构造自动加锁,析构自动解锁 std::unique_lock locker(m_mutex, std::defer_lock); //还可以使用defer_lock告知locker,不要在构造时自动加锁m_mutex locker.lock(); //然后用户自行给m_mutex加锁 f locker2 = std::move(locker); } private: std::mutex m_mutex; std::ofstream f; }; void function_1(LogFile& log) { for(int i = 0; i > -100; --i) { log.shared_print("from t1: ",i); } } int main() //主线程 { LogFile log; std::thread t1(function_1, std::ref(log)); for(int i = 0; i
上面使用的所有示例代码中,LogFile类都是在构建函数中打开log.txt文件,如果我们想只在调用shared_print函数的时候才打开文件,可以做如下修改:
class LogFile { public: LogFile() { //f.open("log.txt"); } void shared_print(string s, int id) { //if(!f.is_open()) //这段代码不是线程安全的,因为两个线程可能同时执行到f.open处,两次打开文件,将会运行报错 //{ // f.open("log.txt"); //} //if(!f.is_open()) //这段代码仍然不是线程安全的,假设a线程尚未执行完f.open,b线程正好检测到文件未打开,然后发现m_mutex_fopen被锁住,于是等待,接着a线程打开了文件,解锁m_mutex_fopen,此时b线程发现解锁了,立即执行f.open,这样就两次打开文件,将会运行报错 //{ // std::unique_lock locker(m_mutex_fopen, std::defer_lock); // f.open("log.txt"); //} //{ //这段代码是线程安全的,但是这存在一个性能上的问题,即每次函数调用都要对m_mutex_fopen进行加锁和解锁,这会无意义地消耗计算机资源 // std::unique_lock locker(m_mutex_fopen, std::defer_lock); // if(!f.is_open()) f.open("log.txt"); //} std::call_once(m_flag, [&](){f.open("log.txt")}) //这行代码能确保后面的lambda函数只被一个线程调用一次,是C++标准库的推荐用法 std::unique_lock locker(m_mutex, std::defer_lock); f
8 条件变量
条件变量适用于a线程需要等待b线程触发某种条件,a线程才能执行的场合
#include #include #include #include #include #include #include #include using namespace std; std::deque q; std::mutex mu; std::condition_variable cond; void function_1() { int count = 10; while (count > 0) { std::unique_lock locker(mu); q.push_front(count); locker.unlock(); cond.notify_one(); //激活条件变量cond cond.notify_all(); //notify_one只能激活一个正在等待cond被激活的线程 //notify_all可以激活所有正在等待cond被激活的线程 std::this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1)); count--; } } void function_2() { int data = 0; while (data != 1) { std::unique_lock locker(mu); /*if (!q.empty()) { data = q.back(); q.pop_back(); locker.unlock(); cout
9 Future, Promise和async()
std::future类可以从子线程获取返回值,然后在父线程中使用
#include #include #include #include #include #include using namespace std; int factorial(int N) { int res = 1; for (int i = N; i > 1; --i) { res *= i; } cout fu = std::async(factorial, 4); std::future fu = std::async(std::launch::async | std::launch::deferred, factorial, 4); x = fu.get(); //get将会等待子线程结束,并取回子线程返回的结果,get只能被调用一次,调用两次程序会运行报错 return 0; }
std::promise可以从父线程获取值到子线程中使用
#include #include #include #include #include #include using namespace std; int factorial(std::future& f) { int N = f.get(); int res = 1; for (int i = N; i > 1; --i) { res *= i; } cout p; std::future f = p.get_future(); std::future fu = std::async(std::launch::async, factorial, std::ref(f)); p.set_value(4); //这里必须进行set_value,否则在factorial函数的int N = f.get()这行会抛出std::future_error::broken_promise的异常 x = fu.get(); cout
如果需要创建多个都调用factorial线程,每个线程都需要一个f参数,但是std::future不能被拷贝,此时可以使用std::shared_future,它可以被拷贝,可将int factorial(std::future& f)改为int factorial(std::shared_future f),同时main函数做如下修改:
int main() { int x; std::promise p; std::future f = p.get_future(); std::shared_future sf = f.share(); std::future fu = std::async(std::launch::async, factorial, sf); std::future fu2 = std::async(std::launch::async, factorial, sf); std::future fu3 = std::async(std::launch::async, factorial, sf); p.set_value(4); return 0; }
10 创建线程的不同方式
#include #include #include #include #include #include using namespace std; class A { public: void f(int x, char c){} int operator()(int N){return 0;} }; void foo(int x){} int main() { A a; std::thread t1(a, 6); //传递a的拷贝给子线程 std::thread t2(std::ref(a), 6); //传递a的引用给子线程 std::thread t3(std::move(a), 6); //从主线程移动a到子线程,a在主线程中不再有效 std::thread t4(A(), 6); //传递临时创建的a对象给子线程 std::thread t5(foo, 6); //传递自定义的函数给子线程 std::thread t6([](int x){return x*x;}, 6); //传递lambda函数给子线程 std::thread t7(&A::f, a, 8, 'w'); //传递a的拷贝的成员函数f给子线程 std::thread t8(&A::f, &a, 8, 'w'); //传递a的地址的成员函数f给子线程 std::async(std::launch::async, a, 6); //上面的八种方式同样适用于async return 0; }
11 Packaged_task
#include #include #include #include #include #include #include using namespace std; int factorial(int N) { int res = 1; for (int i = N; i > 1; --i) { res *= i; } cout > task_q; std::mutex mu; std::condition_variable cond; void thread_1() { std::packged_task t; { std::unique_lock locker(mu); cond.wait(locker, []{return !task_q.empty();}); t = std::move(task_q.front()); } t(); } int main() { std::thread t1(thread_1); std::packaged_task t(std::bind(factorial, 6)); //packaged_task只能传递一个参数,如果还要传递参数6,可以使用bind函数 std::future ret = t.get_future(); //获得与packaged_task共享状态相关联的future对象 { std::unique_lock locker(mu); task_q.push_back(std::move(t)); } cond.notify_one(); int value = ret.get(); //等待任务完成并获取结果 t1.join() //这两句可以实现和packaged_task类似的功能,但是packaged_task特点是可以将一个可调用对象关联到一个future变量,然后异步获取可调用对象的返回结果 //auto t = std::bind(factorial, 6); //t(); //std::future fu = std::async(factorial, 4); x = fu.get(); std::packaged_task t(factorial); //以一个可调用对象为参数,并且可以异步获取该调用对象的返回结果 std::future ret = t.get_future(); //获得与packaged_task共享状态相关联的future对象 int value = ret.get(); //等待任务完成并获取结果 }
12 时间约束
可以让某个类对象休眠一段时间,或者到达指定的时间点才停止休眠
#include #include #include #include #include #include #include using namespace std; int factorial(int N) { int res = 1; for (int i = N; i > 1; --i) { res *= i; } cout locker(mu); locker.try_lock_for(chrono::milliseconds(3)); locker.try_lock_until(tp); std::condition_variable cond; cond.wait_for(locker, chrono::milliseconds(3)); cond.wait_until(locker, tp); std::promise p; std::future f = p.get_future(); f.wait_for(chrono::milliseconds(3)); f.wait_until(tp); }
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