实战技能——C++中的多线程编程

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文章来源知乎用户yikang知乎专栏

https://zhuanlan.zhihu.com/p/134099301 

https://zhuanlan.zhihu.com/p/136861784

Part 1. 基本概念

1.1 进程

• 简单理解为程序的一次执行，例如在桌面打开一个应用程序就开启了一个进程。进程通常由程序、数据、进程控制块(PCB)构成。

• 传统进程认为：进程可以获取操作系统分配的资源，如内存等；可以参与操作系统的调度，参与CPU的竞争，得到分配的时间片，获得CPU运行。

• 进程在创建、撤销和切换中，系统必须为之付出较大的时空开销，因此系统中开启的进程数不宜过多。

1.2 线程

• 线程是进程中的一个实体，是被系统独立分配和调度的基本单位。或者说，线程是CPU可执行调度的最小单位，进程本身并不能获取CPU时间，只有它的线程才可以。

• 引入线程后，不同于传统进程：线程参与操作系统的调度，参与CPU的竞争，得到分配的时间片，获得处理机（CPU）运行；而进程负责获取操作系统分配的资源，如内存。

• 线程基本上不拥有资源，只拥有一点运行中必不可少的资源，它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。同一个进程中的多个线程可以并发执行。

1.3 线程与线程的区别联系

除了上面概念中所提到的，还有：

• 线程分为用户级线程和内核支持线程两类：用户级线程不依赖于内核，该类线程的创建、撤销和切换都不利用系统调用来实现；内核支持线程依赖于内核，即无论是在用户进程中的线程，还是在系统中的线程，其创建、撤销和切换都利用系统调用来实现。

• 系统进程和用户进程在进行切换时都要依赖于内核中的进程调度。因此，无论是什么进程都是与内核有关的，是在内核支持下进程切换的。

• 进程要独立的占用系统资源（如内存），而同一进程的线程之间是共享资源的。进程本身并不能获取CPU时间，只有它的线程才可以。

在一个应用程序（进程）中同时执行多个小的部分（线程），这就是多线程。多个线程虽然共享一样的数据，但是却执行不同的任务。

1.4 并发

并发是指在同一个时间里CPU同时执行两条或多条命令。单核CPU和C++11以前实现的并发一般是伪并发。但随着多核CPU的普及，C++11开始支持真正意义上的并发。

C++11可以通过多线程实现并发，这是一种比较底层、传统的实现方式。C++11引入了5个头文件来支持多线程编程：<atomic>/<thread>/<mutex>/<condition_variable>/<future>

#include <atomic>   // C++11 原子操作，限制并发程序对共享数据的使用，避免数据竞争
#include <thread>   // 该头文件主要声明了std::thread类，另外std::this_thread命名空间也在该头文件中
#include <mutex>    // C++11 互斥量Mutex。在多线程环境中，有多个线程竞争同一个公共资源，就很容易引发线程安全的问题
#include <condition_variable>  // C++11 并发编程 主要包含了与条件变量相关的类和函数

Part 2. std::mutex 互斥访问

<mutex>是C++标准程序库中的一个头文件，定义了C++11标准中一些互斥访问的类与方法。

其中std::mutex表示普通互斥锁，可以与std::unique_lock配合使用，把std::mutex放到unique_lock中时，mutex会自动上锁，unique_lock析构时，同时把mutex解锁。因此std::mutex可以保护同时被多个线程访问的共享数据，并且它独占对象所有权，不支持对对象递归上锁。

可以这样理解：各个线程在对共享资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。(下图来自网络)

常用的成员函数有：

1. 构造函数：std::mutex不支持copy和move操作，最初的mutex对象处于unlocked状态。

2. lock函数：互斥锁被锁定。如果线程申请该互斥锁，但未能获得该互斥锁，则申请调用的线程将阻塞(block)在该互斥锁上；如果成功获得该互诉锁，则该线程一直拥有互斥锁直到调用unlock解锁；如果该互斥锁已经被当前调用线程锁住，则产生死锁(deadlock)。

3. unlock函数：互斥锁解锁，释放调用线程对该互斥锁的所有权。

一个简单的例子：

std::mutex mtx;  // 创建一个互斥锁
static void print_(int n, char c)
{
  mtx.lock();       // 申请对访问资源，上锁
  for (int i = 0; i<n; ++i) { std::cout << c; }
  std::cout << '\n';
  mtx.unlock();    // 对资源操作结束，解锁释放互斥锁的所有权
}

Part 3. std::unique_lock 锁管理模板类

std::unique_lock为锁管理模板类，是对通用mutex的封装。

std::unique_lock对象以独占所有权的方式(unique owership)管理mutex对象的上锁和解锁操作，即在unique_lock对象的声明周期内，它所管理的锁对象会一直保持上锁状态；而unique_lock的生命周期结束之后，它所管理的锁对象会被解锁。因此用unique_lock管理互斥对象，可以作为函数的返回值，也可以放到STL的容器中。

在使用条件变量std::condition_variable时需要使用std::unique_lock而不能使用std::lock_guard。

其常用的成员函数为：

1. unique_lock构造函数：禁止拷贝构造，允许移动构造；

2. lock函数：调用所管理的mutex对象的lock函数；

3. unlock函数：调用所管理的mutex对象的unlock函数；

例如这样使用：

std::mutex mtx;   // 定义一个互斥锁 
void print_thread_id(int id) {
     std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx, std::defer_lock);  // 定义一个锁管理对象（参数2其实可以省略）
     lck.lock();
     std::cout << "thread #" << id << '\n';
     lck.unlock();
}

Part 4.  std::condition_variable 条件变量

<condition_variable>是C++标准程序库中的一个头文件，定义了C++11标准中的一些用于并发编程时表示条件变量的类与方法等。

条件变量的引入是为了作为并发程序设计中的一种控制结构。当多个线程访问同一共享资源时，不但需要用互斥锁实现独享访问以避免并发错误(竞争危害)，在获得互斥锁进入临界区后还需要检验特定条件是否成立：

1. 若不满足该条件，拥有互斥锁的线程应该释放该互斥锁，使用unique_lock函数把自身阻塞(block)并挂到条件变量的线程队列中

2. 若满足该条件，拥有互斥锁的线程在临界区内访问共享资源，在退出临界区时通知(notify)在条件变量的线程队列中处于阻塞状态的线程，被通知的线程必须重新申请对该互斥锁加锁。

条件变量std::condition_variable用于多线程之间的通信，它可以阻塞一个或同时阻塞多个线程。std::condition_variable需要与std::unique_lock配合使用。

常用成员函数：

(1)构造函数：仅支持默认构造函数。

(2)wait()：当前线程调用wait()后将被阻塞，直到另外某个线程调用notify_*唤醒当前线程。当线程被阻塞时，该函数会自动调用std::mutex的unlock()释放锁，使得其它被阻塞在锁竞争上的线程得以继续执行。一旦当前线程获得通知(notify，通常是另外某个线程调用notify_*唤醒当前线程)，wait()函数自动调用std::mutex的lock()。wait分为无条件被阻塞和带条件的被阻塞两种：

1. 无条件被阻塞：调用该函数之前，当前线程应该已经对unique_lock<mutex> lck完成了加锁。所有使用同一个条件变量的线程必须在wait函数中使用同一个unique_lock<mutex>。该wait函数内部会自动调用lck.unlock()对互斥锁解锁，使得其他被阻塞在互斥锁上的线程恢复执行。使用本函数被阻塞的当前线程在获得通知(notified，通过别的线程调用 notify_*系列的函数)而被唤醒后，wait()函数恢复执行并自动调用lck.lock()对互斥锁加锁。

2. 带条件的被阻塞：wait函数设置了谓词(Predicate)，只有当pred条件为false时调用该wait函数才会阻塞当前线程，并且在收到其它线程的通知后只有当pred为true时才会被解除阻塞。因此，等效于while (!pred()) wait(lck).

(3)notify_all: 唤醒所有的wait线程，如果当前没有等待线程，则该函数什么也不做。

(4)notify_one：唤醒某个wait线程，如果当前没有等待线程，则该函数什么也不做；如果同时存在多个等待线程，则唤醒某个线程是不确定的(unspecified)。

简单的说就是，当std::condition_variable对象的某个wait函数被调用的时候，它使用std::unique_lock(通过std::mutex)来锁住当前线程。当前线程会一直被阻塞，直到另外一个线程在相同的std::condition_variable对象上调用了notification函数来唤醒当前线程。

Part 5.  std::atomic 原子操作

<atomic>是C++标准程序库中的一个头文件，定义了C++11标准中一些表示线程、并发控制时进行原子操作的类与方法，主要声明了两大类原子对象：std::atomic和std::atomic_flag。

原子操作的主要特点是原子对象的并发访问不存在数据竞争，利用原子对象可实现数据结构的无锁设计。在多线程并发执行时，原子操作是线程不会被打断的执行片段。

（1）atomic_flag类

1. 是一种简单的原子bool类型，只支持两种操作：test_and_set(flag=true)和clear(flag=false)。

2. 跟std::atomic的其它所有特化类不同，它是锁无关的。

3. 结合std::atomic_flag::test_and_set()和std::atomic_flag::clear()，std::atomic_flag对象可以当作一个简单的自旋锁(spin lock)使用。

4. atomic_flag只有默认构造函数，禁用拷贝构造函数，移动构造函数实际上也禁用。

5. 如果在初始化时没有明确使用宏ATOMIC_FLAG_INIT初始化，那么新创建的std::atomic_flag对象的状态是未指定的(unspecified)，既没有被set也没有被clear；如果使用该宏初始化，该std::atomic_flag对象在创建时处于clear状态。

• test_and_set：返回该std::atomic_flag对象当前状态，检查flag是否被设置，若被设置直接返回true，若没有设置则设置flag为true后再返回false。该函数是原子的。

• clear：清除std::atomic_flag对象的标志位，即设置atomic_flag的值为false。

（2）std::atomic类

1. std::atomic提供了针对bool类型、整形(integral)和指针类型的特化实现。每个std::atomic模板的实例化和完全特化定义一个原子类型。

2. 若一个线程写入原子对象，同时另一个线程从它读取，则行为良好定义。

3. 原子对象的访问可以按std::memory_order所指定建立线程间同步，并排序非原子的内存访问。

4. std::atomic可以以任何可平凡复制(Trivially Copyable)的类型T实例化。

5. std::atomic既不可复制亦不可移动。

6. ATOMIC_VAR_INIT(val)：可以由构造函数直接执行此宏初始化std::atomic对象。

std::atomic 常用的成员函数：

1. std::atomic::store(val) 函数将参数 val 复制给原子对象所封装的值。

2. std::atomic::load() 读取被原子对象封装的值。

3. std::atomic::exchange(val) 读取并修改被封装的值，exchange 会将 val 指定的值替换掉之前该原子对象封装的值，并返回之前该原子对象封装的值，整个过程是原子的.

4. atomic() 默认构造函数，由默认构造函数创建的 std::atomic 对象处于未初始化(uninitialized)状态，对处于未初始化(uninitialized)状态 std::atomic对象可以由 atomic_init 函数进行初始化。

5. atomic (T val) 初始化构造函数，由类型 T初始化一个 std::atomic对象。

6. atomic (const atomic&) 拷贝构造函数被禁用。

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参考文献：

1. blog.csdn.net/liuxuejia

2. blog.csdn.net/fengbingc

3. cnblogs.com/wangshaowei

4. blog.csdn.net/fengbingc

5. cnblogs.com/taiyang-li/

6. blog.csdn.net/tanningzh

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