C++ 11中的多线程

2023-09-25 08:12:58

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C++11多线程简单使用

开篇介绍

C++11中引入了多线程头文件<thread>，让我们能更方便的使用多线程进行编程

void TestThread(int index)
{
    std::cout << "Child Thread" << index << " id " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    std::cout << "Child Thread" << index << "Stop" << std::endl;
}

int main()
{
    std::thread newThread1(TestThread, 1);
    std::thread newThread2(TestThread, 2);
    std::cout << "Main Thread id " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    std::cout << "Main Thread Stop" << std::endl;
    if (newThread1.joinable())
        newThread1.join();
    if (newThread2.joinable())
        newThread2.join();
}

众所周知，线程具有异步性，也就是说这道程序的推进的方向是不确定的，而事实也正是如此

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有两句话说得好，汇总一下就是：join()和detach()总要调用一个，并且调用之前最好是要进行joinable()检查

Never call join() or detach() on std::thread object with no associated executing thread

Never forget to call either join or detach on a std::thread object with associated executing thread

如果对一个子线程执行两次join()操作，那么会抛出异常

void TestThread(int index)
{
    std::cout << "Child Thread" << index << " id " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    std::cout << "Child Thread" << index << "Stop" << std::endl;
}

int main()
{
    std::thread newThread(TestThread, 1);
    newThread.join();
    newThread.join();
}
C++ 11中的多线程

cppreference中提到，当joinable()的线程被赋值或析构的时候，会调用std::terminate()，而一般std::terminate()意味着std::abort()，也就是说如果对一个线程既不执行join()操作也不执行detach()操作，而它却被析构了，那么“it will cause the program to Terminate(终止)”

C++ 11中的多线程
void TestThread(int index)
{
    std::cout << "Child Thread" << index << " id " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    std::cout << "Child Thread" << index << "Stop" << std::endl;
}

int main()
{
    std::thread newThread(TestThread, 1);
    newThread = std::thread(TestThread, 2);

    std::cout << "Main Thread Sleep Begin" << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));
    std::cout << "Main Thread Sleep End" << std::endl;
    if (newThread.joinable())
        newThread.join();
}

抛开Bug不谈，由于线程的异步性，谁也说不清是先输出Thread1还是输出Thread2

针对这个Bug，可以这么理解：线程1由对象newThread管理，当C++底层告知操作系统去创建一个新线程并给它分配一些任务后，却马上创建了一个线程2交给newThread，这样子产生了一个覆盖操作，导致线程1被析构，而它又是可结合的，所以程序被terminate

C++ 11中的多线程

正确的做法是

int main()
{
    std::thread newThread(TestThread, 1);
    if (newThread.joinable())
        newThread.join();
    newThread = std::thread(TestThread, 2);
    if (newThread.joinable())
        newThread.join();
}

线程的构造

通过前文中的示范，我们了解到可以通过传入一个函数指针来给一个线程分配它的“任务”

除了函数指针外，还可以通过lambda表达式，std::function，std::bind，仿函数对象等来解决

struct Handle
{
    void operator()(int data) { std::cout << data << std::endl; }
};

int main()
{
    std::thread t(Handle(), 10);
    if (t.joinable())
        t.join();
}

join与detach

  • newThread.join()操作代表当前线程将阻塞，直到newThread完成它的任务
  • newThread.detach()操作代表newThread与当前线程分开（即当前线程结束销毁后并不会同时销毁newThread），但是程序结束后newThread仍会被终止（即使它还没运行完，也会被操作系统强行叫停，这也可能会导致资源没有正确的释放）
class TestClass
{
public:
    TestClass() { cout << "create" << endl; }
    TestClass(const TestClass& t) { cout << "copy" << endl; }
    void print(int num)
    {
        for (int i = 0; i < num; i++)
            cout << i << ends;
        cout << endl;
    }
};

void Func2()
{
    cout << "start" << endl;
    TestClass t;
    std::thread newThread(&TestClass::print, &t, 10);
    // 让当前线程等待newThread完成
    newThread.join();
    cout << "end" << endl;
}
int main()
{
    std::thread t(Func2);
    if (t.joinable())
        t.join();
    return 0;
}

程序的执行结果为

C++ 11中的多线程

void repeat1000(int index, int time)
{
    for (int i = 0; i < time; i++)
        cout << index;
}

void detach_test()
{
    thread newThread(repeat1000, 1, 100000);
    newThread.detach();
    newThread = thread(repeat1000, 2, 1000);
    newThread.join();
}

int main()
{
    {
        thread t(detach_test);
        t.join();
    }
    cout << endl << "start wait" << endl;
    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(5));
    return 0;
}

我认为这是一个很好的解释join()和detach()的例子，下面来分析一下

  • 首先创建了线程t，给它分配了detach_test()任务
  • 主线程阻塞 等待t完成它的任务
  • 同时操作系统完成了对t的分配，开始执行detach_test()
  • t进程再创建子线程newThread，并给他分配(repeat1000, 1, 100000)任务
  • 操作系统在分配newThread的“同时”，t线程将其和newThread分离
  • 此时(repeat1000, 1, 100000)仍然在运行，同时t线程给newThread赋了一个新线程，任务为(repeat1000, 2, 1000)
  • newThread调用join()操作，t进程阻塞，等待newThread的(repeat1000, 2, 1000)工作完成
  • newThread的(repeat1000, 2, 1000)完成，也意味着t进程的任务完成，此时主线程不再受到阻塞
  • t线程离开作用域，遭到销毁。但此时(repeat1000, 1, 100000)操作因为比较耗时所以仍然还在运行
  • 主程序输出"start wait"后开始休眠5秒钟，此时线程(repeat1000, 1, 100000)仍然在运行
  • 最后程序结束，各种线程被操作系统销毁（即可能(repeat1000, 1, 100000)执行到第八万次的时候就突然被终止了）
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在一般情况下，为了避免detach或join使用不当造成的程序错误，可以创建一个线程类，使用析构函数执行线程的分离或合并(join)

线程传参时应该避免的操作

应该避免传入栈上对象的指针

void newThreadCallback(int* p)
{
    std::cout << "Inside Thread: " << *p << std::endl;
    // 等一秒钟 让startNewThread()执行结束 使i的内存空间被回收
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    // 抛出异常
    *p = 19;
}

void startNewThread()
{
    int i = 10;
    std::cout << "Inside Main Thread: " << i << std::endl;
    std::thread t(newThreadCallback, &i);
    t.detach();
    std::cout << "Inside Main Thread: " << i << std::endl;
}

int main()
{
    startNewThread();
    // 等两秒钟 让所有线程和方法都执行完毕再结束程序
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    return 0;
}

堆上的数据同理

因为一般堆对象需要使用delete来销毁，所以也无法确定别的线程访问到指针的时候，它所指的内存是否有效

线程的引用传参

使用std::ref或者std::cref，使用方法几乎和std::bind中使一致的，所以不再赘述

多线程中的竞争

操作系统应该学过，竞争就是多个线程同时访问一块内存区域，导致不可预估的结果

class Wallet
{
    int money;
public:
    Wallet() : money(0) {}

    int getMoney() const { return money; }
    void addMoney(int increase)
    {
        for (int i = 0; i < increase; ++i)
            money++;
    }
};

int testMultiThreadWallet()
{
    Wallet walletObject;
    std::vector<std::thread> threads;
    // 创建五条线程异步访问Wallet "理应"得到的结果为5000
    threads.reserve(5);
    // reserve对应_back而resize对应[i]
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
        threads.emplace_back(&Wallet::addMoney, &walletObject, 1000);

    // 等所有线程执行完再结束
    for (auto& thread : threads)
        thread.join();
    return walletObject.getMoney();
}

int main()
{
    int val = 0;
    for (int k = 0; k < 1000; k++)
    {
        if ((val = testMultiThreadWallet()) != 5000)
            std::cout << "Error at count = " << k << " Money in Wallet = " << val << std::endl;
    }
    return 0;
}

某次程序执行的结果为，这种结果是不确定的，可能1000次实验，一次都不会出错，也可能出现多至十多次错误

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这一行短短的代码其实发生了三件事

money++;
  • 将money的值加载进寄存器中
  • 在寄存器中进行计算，即++操作
  • 将寄存器中的结果存回money所在的内存中

而当由于线程具有异步性，在不加锁的情况下我们无法控制多条线程对money的访问顺序，那么就可能出现以下这种情况

C++ 11中的多线程

  • 假设money的初始值是43
  • money的值被线程1取出放入寄存器1中
  • money的值被线程2取出放入寄存器2中
  • 寄存器1进行计算得到结果44
  • 寄存器2进行计算得到结果44
  • 寄存器1将结果放入money所在内存中，money为44
  • 寄存器2将结果放入money所在内存中，money为44

解决线程中的竞争

操作系统中的PV操作与之类似，关键就是加锁

std::mutex

使用互斥锁解锁上文中的钱包问题

#include<mutex>
class Wallet
{
    int money;
    mutex mutexLock;
public:
    Wallet() : money(0) {}

    int getMoney() const { return money; }
    void addMoney(int increase)
    {
        mutexLock.lock();
        for (int i = 0; i < increase; ++i)
            money++;
        mutexLock.unlock();
    }
};

但是如果一个线程在加锁后并没有解锁，那么所有其他线程将会一直等待，导致程序无法结束（当使用join的情况下）

相反的，如果没上锁就解锁

C++ 11中的多线程

因此可以在此基础上做一层简单的封装

class SmartMutex
{
private:
    mutex mutexLock;
public:
    void AutoLock(const function<void()>& func)
    {
        mutexLock.lock();
        func();
        mutexLock.unlock();
    }
};


class Wallet
{
    int money;
    SmartMutex smartMutex;
public:
    Wallet() : money(0) {}

    int getMoney() const { return money; }
    void addMoney(int increase)
    {
        smartMutex.AutoLock([this, &increase]()
        {
            for (int i = 0; i < increase; ++i)
                this->money++;
        });
    }
};

或者可以使用std::lock_guard

std::lock_guard

std::lock_guard有点像一个智能指针，在它的作用域结束后，会调用析构函数，完成对互斥锁的解锁操作

class Wallet
{
    int money;
    mutex mutexLock;
public:
    Wallet() : money(0) {}

    int getMoney() const { return money; }

    void addMoney(int increase)
    {
        // 在lockGuard的构造函数中会自动上锁
        lock_guard<mutex> lockGuard(mutexLock);
        for (int i = 0; i < increase; ++i)
            this->money++;
        // 离开作用域 lockGuard析构函数调用 自动解锁
    }
};

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