C++多线程编程超详解

程序员文章站 2022-04-06 22:41:00

目录c++多线程2. 常用api4. windows多线程4.1 windows创建线程4.2 windows互斥锁4.3 windows挂起和唤醒线程c++多线程1. 概念进程：一个在内存中...

c++多线程

1. 概念

进程：一个在内存中运行的应用程序。每个进程都有自己独立的一块内存空间，一个进程可以有多个线程，比如在windows系统中，一个运行的xx.exe就是一个进程。
线程：进程中的一个执行任务（控制单元），负责当前进程中程序的执行。一个进程至少有一个线程，一个进程可以运行多个线程，多个线程可共享数据。与进程不同的是同类的多个线程共享进程的堆和方法区资源，但每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈，所以系统在产生一个线程，或是在各个线程之间作切换工作时，负担要比进程小得多，也正因为如此，线程也被称为轻量级进程。
并发：并发指的是两个或多个独立的活动在同一时段内发生。并发在生活中随处可见：比如在跑步的时候同时听音乐，在看电脑显示器的同时敲击键盘等。同一时间段内可以交替处理多个操作，强调同一时段内交替发生。
并行：同一时刻内同时处理多个操作，强调同一时刻点同时发生。

2. 常用api

头文件#include<thread>

1.thread

api	描述	注意
thread.join()	加入线程(会阻塞主线程，模拟同步操作)
thread.detach()	加入线程(不会阻塞主线程，模拟异步操作)
thread.joinable()	是否可加入线程，返回bool
thread.get_id()	获取线程的id
thread.hardware_concurrency()	获取硬件并发的数量
thread.swap()	交换线程
thread.native_handle()	获取原生handle，为windows多线程中createthread的返回值，使用这个handle从而可以实现线程的挂起唤醒

测试代码：

void threadfunc01() {
	cout << "thread join1" << endl;
	this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));
}
void threadfunc02() {
	cout << "thread join2" << endl;
	this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));
}
void test01() {
	// 创建线程
	std::thread thread1(threadfunc01);
	std::thread thread2(threadfunc02);
	//thread.join(); //join 会阻塞主线程 同步操作
	//thread.detach(); //detach 不会阻塞主线程 异步操作
	bool bjoinable = thread1.joinable();
	thread::id threadid = thread1.get_id();
	//hardware_concurrency 硬件并发的数量
	int threadnum = thread1.hardware_concurrency();
	cout << "hardware_concurrency:" << threadnum << endl;
	//应用 线程的预分配。
	for (int i = 0; i < thread1.hardware_concurrency(); i++) {
		std::thread threadref(threadfunc01);
		threadref.detach();
	}
	thread1.swap(thread2);
	thread1.join();
}

向线程里传递参数的方法：

// 向线程里传递参数的方法
#include<string>
void threadfunc03(int num, const string& str) {
	cout << "num = " << num << " str = " << str << endl;
}
struct fobject {
	void run(const string& str) {
		cout << str << endl;
	}
};
void test02() {
    // 通过函数绑定
	thread newthread1(threadfunc03, 10, "unreal");
	newthread1.detach();
	// 通过lambda绑定
	int a = 50;
	thread newthread2([&](int num,const string& str) {
		cout << "a = " << a << " num = " << num << " str = " << str << endl;
		}, 1, "unreal");
	newthread2.detach();

	// 绑定对象
	fobject objectref;
	thread newthread3(&fobject::run, objectref, "unreal");
	newthread3.detach();
}

2.互斥锁mutex

头文件#include<mutex>

api	描述	注意
mutex.lock()	上锁
mutex.unlock()	解锁
mutex.try_lock()	判断可不可以加锁,返回bool	可以用该方法建立非阻塞模式

测试代码：

#include<mutex>
mutex lockref;
void threadfunc04(int num,const string& str) {
	// 进入该线程锁住该线程，其他线程想要进入该线程需要排队
	lockref.lock();
	cout << "thread join4" << endl;
	this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));
	// 解锁
	lockref.unlock();
}
void test03() {
	std::thread thread1(threadfunc04, 10, "unreal");
	std::thread thread2(threadfunc04, 5, "unity");
	std::thread thread3(threadfunc04, 20, "cocos");
	thread1.detach();
	thread2.detach();
	thread3.detach();
}

使用类加锁的方式：

#include<mutex>
mutex lockref;
struct fevent {
	fevent() {
		m.lock();
	}
	~fevent()
	{
		m.unlock();
	}
	static mutex m;
};
mutex fevent::m;
#define lock_scope fevent event
void threadfunc04(int num,const string& str) {
	lock_scope; //加上锁,并且过了这个作用域自动解锁(析构)
	cout << "thread join4" << endl;
	this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));
}
void test03() {
	std::thread thread1(threadfunc04, 10, "unreal");
	std::thread thread2(threadfunc04, 5, "unity");
	std::thread thread3(threadfunc04, 20, "cocos");
	thread1.detach();
	thread2.detach();
	thread3.detach();
}

try_lock()

void threadfunc04(int num,const string& str) {
	bool block = fevent::m.try_lock();
	if (block) {
		lock_scope; //加上锁,并且过了这个作用域自动解锁(析构)
		cout << "thread join4" << endl;
		this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));
	}
}

使用try_lock()可以进行判断能不能上锁，不能上锁的话，就不用执行上锁后的代码，防止其他线程阻塞在该线程。

lock_guard

lock_guard是一种锁类，作用和我们上面自定义的锁类fevent相同，创建的时候锁住目标线程，释放的时候解锁。

// 声明方式
lock_guard<mutex>ref;

源码：

template <class _mutex>
class lock_guard { // class with destructor that unlocks a mutex
public:
    using mutex_type = _mutex;
    explicit lock_guard(_mutex& _mtx) : _mymutex(_mtx) { // construct and lock
        _mymutex.lock();
    }
    lock_guard(_mutex& _mtx, adopt_lock_t) : _mymutex(_mtx) { // construct but don't lock
    }
    ~lock_guard() noexcept {
        _mymutex.unlock();
    }
    lock_guard(const lock_guard&) = delete;
    lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
    _mutex& _mymutex;
};

unique_lock

作用和lock_guard相同，唯一的不同之处，lock_guard开放的api只有析构函数，而unique_lock开放的api非常多，即*度比lock_guard高，可以定义锁的行为。

void test05() {
	// defer_lock 关键字为延迟锁，即创建该对象时不会锁住该线程，什么时候锁需要自定义
	std::unique_lock<mutex>lockref2(fevent::m,defer_lock);
	std::unique_lock<mutex>lockref2(fevent::m,chrono::seconds(2)); //锁两秒
	//....执行
	lockref2.lock();
	lockref2.unlock();
	bool block1 = lockref2.try_lock();//尝试上锁
	lockref2.try_lock_for(chrono::seconds(2)); //锁2s
    mutex *lockref3 = lockref2.release(); //释放锁，同时会返回被释放的这个锁的指针对象
    bool block2 = lockref2.owns_lock(); //当前是否被锁住 
}

应用：

void test05() {
	//std::lock_guard<mutex>lockref1(fevent::m);
	// defer_lock 关键字为延迟锁
	std::unique_lock<mutex>lockref2(fevent::m,defer_lock);
	lockref2.lock();
	lockref2.mutex();
	bool block = lockref2.owns_lock();
	std::unique_lock<mutex>lockref3;
	lockref2.swap(lockref3);
	std::unique_lock<mutex>lockref4 = move(lockref3);
	lockref4.unlock();
}

3. 挂起和唤醒

头文件#include<windows.h>

1111111

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11111

111111

测试代码：

#include<windows.h>
void threadfunc05() {
	while (true)
	{
		sleep(10);
		cout << "threadfunc05" << endl;
	}
}

void test04() {
	thread thread1(threadfunc05);
	// 挂起线程
	suspendthread(thread1.native_handle());
	sleep(2);
	// 唤醒线程
	resumethread(thread1.native_handle());
}

如何高效将主线程资源进行转移：

void threadfunc06(const char* str) {
	cout << str << endl;
}
void test04() {
	// 如何高效转移线程资源
	// 使用std::move
	thread thread2(threadfunc06, move("unreal")); // 使用move避免了拷贝
	thread thread3 = move(thread2);
	thread3.detach();
}

3. 应用场景

3.1 call_once执行一次的函数

通过使用该函数，用来防止多线程的多次触发。

once_flag tag;
void calloncetest() {
	call_once(tag, [&]() {
		cout << "do once" << endl;
		});
}
void test06() {
	for (int i = 0; i < 10; i++) {
		thread thread1(calloncetest);
		thread1.detach();
	}
}

3.2 condition_variable条件锁

使用需要包含头文件#include<condition_variable>

可以使用条件锁来达到同步的作用，即当满足一定的条件后才解锁某个线程。

#include<condition_variable>
condition_variable condition_lock;
mutex mutexlock;
void conditionfunctest() {
	unique_lock<mutex>lock(mutexlock);
	condition_lock.wait(lock);  //锁住该线程
	cout << "run" << endl;
}
void test12() {
	std::thread threadref(conditionfunctest);
	threadref.detach();
	sleep(3000); //3s后再激活
	condition_lock.notify_one();
}

3.3 future获取线程的计算结果

通过使用future可以得到"未来"线程被调用的时候计算得返回值，使用时需要包含头文件#include<future>。

声明方式:

// async为创建该线程的方式为异步 funname 函数名 args为传入的函数参数
std::future<string>newfuture = std::async(launch::async, funname,args...);

应用：

#include<future> 
string getstring(int num) {
	return "unreal";
}
void test08() {
	std::future<string>newfuture = std::async(launch::async, getstring, 10);
	//std::future<string>newfuture = std::async(launch::deferred, getstring, 10); // 睡一秒再执行
	sleep(1000);
	string str = newfuture.get(); //get只能调用一次 调第二次会崩溃
	// 防止崩溃的写法
	if (newfuture.valid()) {
		string str = newfuture.get();
	}
}

3.4 promise主线程如何将数据发送数据到其他线程

通过使用promise(承诺)来进行进程之间的交互，常配合std::future使用。其作用是在一个线程t1中保存一个类型typename t的值，可供相绑定的std::future对象在另一线程t2中获取。

 测试代码：

// promise
string promisetest(future<string>& future) {
	cout << future.get() << endl;
	return "unreal";
}
void test09() {
	promise<string> promiseref;
	future<string>future1 = promiseref.get_future();
	future<string>future2 = std::async(launch::async, promisetest, std::ref(future1)); //future 不支持值拷贝 需要传递引用
	promiseref.set_value("unreal is the best game engine in the world");
}

但这里也有一个问题需要思考，如果需要发送数据到多个线程，是不是需要一个个的创建上面的代码呢。这里就引出了多线程之间共享状态这个解决方法。

3.5 future.share()多线程之间共享状态

通过future.share()我们可以很方便的使多个线程之间共享状态。

现在来看看没有使用该函数的话我们要共享状态的话需要这么写:

string promisetest(future<string>& future) {
	cout << future.get() << endl;
	return "unreal";
}
void test09() {
	promise<string> promiseref;
	future<string>future1 = promiseref.get_future();
	future<string>future2 = promiseref.get_future();
	future<string>future3 = promiseref.get_future();
	future<string>future4 = std::async(launch::async, promisetest, std::ref(future1)); //future 不支持值拷贝 需要传递引用
	future<string>future5 = std::async(launch::async, promisetest, std::ref(future2)); //future 不支持值拷贝 需要传递引用
	future<string>future6 = std::async(launch::async, promisetest, std::ref(future3)); //future 不支持值拷贝 需要传递引用
	promiseref.set_value("unreal is the best game engine in the world");
}

使用了future.share()函数后:

string promisetest02(shared_future<string> future) {
	cout << future.get() << endl;
	return "unreal";
}
void test09() {
	promise<string> promiseref;
	future<string>future1 = promiseref.get_future();
    // shared_future
	shared_future<string> sharedfutrue1 = future1.share();
	future<string>future2 = std::async(launch::async, promisetest02, sharedfutrue1); //shared_future 可以用拷贝传递
	future<string>future3 = std::async(launch::async, promisetest02, sharedfutrue1);
	future<string>future4 = std::async(launch::async, promisetest02, sharedfutrue1);
	promiseref.set_value("unreal is the best game engine in the world");
}

3.6 线程packaged_task

packaged_task和promise非常相似，packaged_task<f>是对promise<t= std::function<f>>中t= std::function<f>这一可调对象(如函数、lambda表达式等)进行了包装，简化了使用方法。并将这一可调对象的返回结果传递给关联的future对象。

绑定lambda

void test10() {
	//绑定lambda
	packaged_task<int(int, int)> task1([](int a,int b) ->int{
		return a + b;
		});
	task1(1, 4);
	this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
	if (task1.valid()) {
		auto f1 = task1.get_future();
		cout << f1.get() << endl;
	}
}

绑定普通函数

int packagedtest(int a,int b) {
	return a + b;
}
void test10() {
	//绑定函数
	packaged_task<int(int, int)>task2(packagedtest);
	task2(10, 5);
	this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
	if (task2.valid()) {
		auto f2 = task2.get_future();
		cout << f2.get() << endl;
	}
}

使用std::bind进行函数绑定

int packagedtest(int a,int b) {
	return a + b;
}
void test10() {
	// bind
	packaged_task<int(int, int)>task3(std::bind(packagedtest,1,2));
	task3(10, 5); //因为bind使用了占位符 所以这里传入的10 5失效了
	this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
	if (task3.valid()) {
		auto f3 = task3.get_future();
		cout << f3.get() << endl; //1+2
	}
}

3.7 时间约束

void test11() {
	//休眠2s
	this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));
	// 休眠现在的时间加上2s
	chrono::steady_clock::time_point timepos = chrono::steady_clock::now() + chrono::seconds(2);
	this_thread::sleep_until(timepos);
}

4. windows多线程

使用windowsapi进行多线程的编写，需要包含头文件

#include<windows.h>

4.1 windows创建线程

使用createthread()创建线程

dword winapi functhread(lpvoid lppram) {
    // dword 类型为unsigned long
    // lpvoid 类型为void
    cout << "unreal!" << endl;
    sleep(1000);
    return 0l;
}
void windowsthreadtest01() {
	handle handleref = createthread(nullptr,0, functhread,nullptr,0,nullptr);
    sleep(2000);
    closehandle(handleref); //使用之后需要关闭handle
}

其中传入的参数为：

/*
winbaseapi
_ret_maybenull_
handle
winapi
createthread(
    _in_opt_ lpsecurity_attributes lpthreadattributes,  和线程安全有关 一般为null
    _in_ size_t dwstacksize,                            线程栈的大小
    _in_ lpthread_start_routine lpstartaddress,         被线程执行的回调函数
    _in_opt_ __drv_aliasesmem lpvoid lpparameter,       传入线程的参数
    _in_ dword dwcreationflags,                         创建线程的标志   参数0 代表立即启动该线程
    _out_opt_ lpdword lpthreadid                        传出的线程id
);
*/

4.2 windows互斥锁

// windows互斥锁
handle hmutex = nullptr;
dword winapi functhread02(lpvoid lpparam) {
    cout << "unreal" << endl;
    waitforsingleobject(hmutex, infinite);
    sleep(5000);
    releasemutex(hmutex);
    return 0l;
}

void windowsthreadtest02() {
    hmutex = createmutex(nullptr, false, l"mutex");
    handle handleref1 = createthread(nullptr, 0, functhread02, nullptr, 0, nullptr);
    handle handleref2 = createthread(nullptr, 0, functhread02, nullptr, 0, nullptr);
    closehandle(handleref1);
    closehandle(handleref2);
}

传入的参数为：

/*
winbaseapi
_ret_maybenull_
handle
winapi
createmutexw(
    _in_opt_ lpsecurity_attributes lpmutexattributes,      和线程安全有关一般为null
    _in_ bool binitialowner,                               有没有该锁的控制权
    _in_opt_ lpcwstr lpname                                锁名字
    );
*/

4.3 windows挂起和唤醒线程

通过使用suspendthread(handleref)和resumethread(handleref)来挂起和唤醒线程

// windows 挂起唤醒
dword winapi functhread03(lpvoid lpparam) {
    while (true) {
        sleep(500);
        cout << "isrunning" << endl;
    }
    return 0l;
}

void windowsthreadtest03() {
    handle href = createthread(nullptr, 0, functhread03, nullptr, 0, nullptr);
    suspendthread(href);
    sleep(2000);
    resumethread(href);
    closehandle(href);
}

总结

本篇文章就到这里了，希望能够给你带来帮助，也希望您能够多多关注的更多内容！

C++多线程编程超详解

目录

c++多线程

1. 概念

2. 常用api

1.thread

2.互斥锁mutex

3. 挂起和唤醒

3. 应用场景

3.1 call_once执行一次的函数

3.2 condition_variable条件锁

3.3 future获取线程的计算结果

3.4 promise主线程如何将数据发送数据到其他线程

3.5 future.share()多线程之间共享状态

3.6 线程packaged_task

3.7 时间约束

4. windows多线程

4.1 windows创建线程

4.2 windows互斥锁

4.3 windows挂起和唤醒线程

总结

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