[转] c++11 thread

[转自 https://www.cnblogs.com/lidabo/p/7266897.html]

1.线程的创建

C++11线程类std::thread，头文件include <thread>
首先，看一个最简单的例子：

void my_thread()
{
    puts("hello, world");
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    std::thread t(my_thread);
    t.join();
    system("pause");
    return 0;
}

实例化一个线程对象t，参数my_thread是一个函数，在线程创建完成后将被执行，
t.join()等待子线程my_thread执行完之后，主线程才可以继续执行下去，此时主线程会
释放掉执行完后的子线程资源。
当然，如果不想等待子线程，可以在主线程里面执行t.detach()将子线程从主线程里分离，
子线程执行完成后会自己释放掉资源。分离后的线程，主线程将对它没有控制权了。
相对于以前使用过的beginthread传多个参数需要传入struct地址，
boost::thread传参需要bind，std::thread传参真的非常方便，而且可读性也很好。
下面例子在实例化线程对象的时候，在线程函数my_thread后面紧接着传入两个参数。

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <thread>
#include <string>
void my_thread(int num, const std::string& str)
{
    std::cout << "num:" << num << ",name:" << str << std::endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int num = 1234;
    std::string str = "tujiaw";
    std::thread t(my_thread, num, str);
    t.detach();

    system("pause");
    return 0;
}

2.互斥量

多个线程同时访问共享资源的时候需要需要用到互斥量，当一个线程锁住了互斥量后，其他线程必须等待这个互斥量解锁后才能访问它。thread提供了四种不同的互斥量：
独占式互斥量non-recursive (std::mutex)
递归式互斥量recursive (std::recursive_mutex)
允许超时的独占式互斥量non-recursive that allows timeouts on the lock functions(std::timed_mutex)
允许超时的递归式互斥量recursive mutex that allows timeouts on the lock functions (std::recursive_timed_mutex)
独占式互斥量
独占式互斥量加解锁是成对的，同一个线程内独占式互斥量在没有解锁的情况下，再次对它进行加锁这是不对的，会得到一个未定义行为。
如果你想thread1输出10次10，thread2输出10次20，如果你想看到一个正确的显示效果，下面程序是做不到的，因为在thread1输出的时候，
thread2也会执行，输出的结果看起来有点乱（std::cout不是线程安全的），所以我们需要在它们访问共享资源的时候使用互斥量加锁。打开代码里面的三行注释就可以得到正确的结果了。在线程1中std::mutex使用成员函数lock加锁unlock解锁，看起来工作的很好，但这样是不安全的，你得始终记住lock之后一定要unlock，但是如果在它们中间出现了异常或者线程直接退出了unlock就没有执行，因为这个互斥量是独占式的，所以在thread1没有解锁之前，其他使用这个互斥量加锁的线程会一直处于等待状态得不到执行。lock_guard模板类使用RAII手法封装互斥量，在实例化对象的时候帮你加锁，并且能保证在离开作用域的时候自动解锁，所以你应该用lock_guard来帮你加解锁。

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <thread>
#include <string>
#include <mutex>

int g_num = 0;
std::mutex g_mutex;

void thread1()
{
    //g_mutex.lock();
    g_num = 10;
    for (int i=0; i<10; i++){
        std::cout << "thread1:" << g_num << std::endl;
    }
    //g_mutex.unlock();
}

void thread2()
{
    //std::lock_guard<std::mutex> lg(g_mutex); // lock_guard在作用域内会自己解锁
    g_num = 20;
    for (int i=0; i<10; i++){
        std::cout << "thread2:" << g_num << std::endl;
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    std::thread t1(thread1);
    std::thread t2(thread2);
    t1.join();
    t2.join();

    system("pause");
    return 0;
}

递归式互斥量
与独占式互斥量不同的是，同一个线程内在互斥量没有解锁的情况下可以再次进行加锁，不过他们的加解锁次数需要一致，递归式互斥量我们平时可能用得比较少些。
允许超时的互斥量
如果线程1对共享资源的访问时间比较长，这时线程2可能等不了那么久，所以设置一个超时时间，在超时时间内如果线程1中的互斥量还没有解锁，线程2就不等了，继续往下执行。
lock_guard只是提供了对互斥量最基本的加解锁封装，而unique_lock提供了多种构造方法，使用起来更加灵活，对于允许超时的互斥量需要使用unnique_lock来包装。

std::timed_mutex g_timed_mutex;
void thread1()
{
    std::unique_lock<std::timed_mutex> tl(g_timed_mutex);
    ::Sleep(3000); // 睡眠3秒
    puts("thread1");
}
void thread2()
{
    std::unique_lock<std::timed_mutex> tl(g_timed_mutex,std::chrono::milliseconds(1000)); // 超时时间1秒
    puts("thread2");
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    std::thread t1(thread1);
    ::Sleep(100); // 让线程1先启动
    std::thread t2(thread2);
    t1.join();
    t2.join();

    system("pause");
    return 0;
}

注意死锁
有时，一个操作需要对一个以上的mutex加锁，这时请注意了，这样很可能造成死锁。

struct Widget
{
    std::mutex mutex_;
    std::string str_;
};

void foo(Widget& w1, Widget& w2)
{
    std::unique_lock<std::mutex> t1(w1.mutex_);
    std::unique_lock<std::mutex> t2(w2.mutex_);
    // do something
}
Widget g_w1, g_w2;

当一个线程调用foo(g_w1, g_w2),另外一个线程调用foo(g_w2, g_w1)的时候，
线程1：                线程2：
w1.mutex_.lock         ...
...                    w2.mutex_.lock
...                    ...
w2.mutex_.lock等待     ...
                       w1.mutex_lock等待
可能的执行顺序：
线程1中的w1上锁；
线程2中的w2上锁；
线程1中的w2上锁，此时由于w2已经在线程2中上过锁了，所以必须等待；
线程2中的w1上锁，此时由于w1已经在线程1中上过锁了，所以必须等待；
这样两个线程都等不到对方释放锁，都处于等待状态造成了死锁。
thread提供了一个std::lock函数可以对多个互斥量同时加锁，每个线程里面的
w1和w2会同时上锁，他们之间就没有间隙了，如上将foo函数改为如下形式就可以了：

void foo(Widget& w1, Widget& w2)
{
    std::unique_lock<std::mutex> t1(w1.mutex_, std::defer_lock);
    std::unique_lock<std::mutex> t2(w2.mutex_, std::defer_lock);
    std::lock(t1, t2);
    // do something
}

在实例化的时候先不要加锁，等到两个对象都创建完成之后再一起加锁。
在初始化的时候保护数据如果你的数据仅仅只在初始化的时候进行保护，使用一个互斥量是不行的，在初始化完成后会导致没必要的同步，C++11提供了一些方法来解决这个问题。

3.线程间同步，条件变量

如果我们在线程间共享数据，经常会存在一个线程等待另外一个线程的情况，它们之间存在先后关系。
这个与互斥量不同，互斥量是保证多个线程的时候当前只有一个线程访问加锁的代码块，它们之间是不存在先后关系的。
如下例子：线程1需要等到线程2将flag设置为非0才进行打印

#include <iostream>
#include <thread> 
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <functional>
class Foo
{
public:
    Foo()
        : flag_(0)
        , thread1_(std::bind(&Foo::threadFunc1, this))
        , thread2_(std::bind(&Foo::threadFunc2, this))
    {

    }

    ~Foo()
    {
        thread1_.join();
        thread2_.join();
    }
private:
    void threadFunc1()
    {
        {
            std::unique_lock<std::mutex> ul(mutex_);
            while (0 == flag_) {
                cond_.wait(ul);
            }
            std::cout << flag_ << std::endl;
        }
    }
    void threadFunc2()
    {
        // 为了测试，等待3秒
        std::this_thread::sleep_for((std::chrono::milliseconds(3000)));
        std::unique_lock<std::mutex> ul(mutex_);
        flag_ = 100;
        cond_.notify_one();
    }
    int flag_;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable cond_;
    std::thread thread1_;
    std::thread thread2_;
};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    Foo f;
    system("pause");
    return 0;
}

从代码可以看出，虽然线程1明显比线程2快些（人为制造等待3秒），但是线程1还是会等待线程2将flag设置为非0后才进行打印的。

这里有几个地方需要注意：
1> Foo类成员变量定义的顺序，mutex和cond必须在thread的前面。
原因是：如果线程的定义在前面，线程初始化完成之后立马会执行线程函数，而线程函数里用到了mutex和cond，此时如果mutex和cond还没初始化完成，就会出现内存错误。
2>由于同时有两个线程需要操作flag变量，所以在读写的时候要加锁， std::unique_lock<std::mutex>会保证构造的时候加锁，离开作用域调用析构的时候解锁，所以不用担心加解锁不匹配。
3>threadFunc1中的while (0 == flag_)， 必须这样写不能写成if (0 == flag_)，因为在多核CPU下会存在虚假唤醒（ spurious wakes）的情况。？？？
4>cond_.wait(ul);条件变量在wait的时候会释放锁的，所以其他线程可以继续执行。

4.线程池

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <functional>
#include <thread>
#include <string>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <vector>
#include <memory>
#include <assert.h>
#include <algorithm>
#include <queue>
#include <process.h>
#include <Windows.h>

class ThreadPool
{
public:
    typedef std::function<void()> Task;
    ThreadPool(int num)
        : num_(num)
        , maxQueueSize_(0)
        , running_(false)
    {

    }

    ~ThreadPool()
    {
        if (running_) {
            stop();
        }
    }

    ThreadPool(const ThreadPool&) = delete;
    void operator=(const ThreadPool&) = delete;
    void setMaxQueueSize(int maxSize)
    {
        maxQueueSize_ = maxSize;
    }

    void start()
    {
        assert(threads_.empty());
        running_ = true;
        threads_.reserve(num_);
        for (int i = 0; i<num_; i++) {
            threads_.push_back(std::thread(std::bind(&ThreadPool::threadFunc, this)));
        }
    }

    void stop()
    {
        {
            std::unique_lock<std::mutex> ul(mutex_);
            running_ = false;
            notEmpty_.notify_all();
        }

        for (auto &iter : threads_) {
            iter.join();
        }
    }

    void run(const Task &t)
    {
        if (threads_.empty()) {
            t();
        }
        else {
            std::unique_lock<std::mutex> ul(mutex_);
            while (isFull()) {
                          notFull_.wait(ul);
            }
            assert(!isFull());
            queue_.push_back(t);
            notEmpty_.notify_one();
        }
    }
private:
    bool isFull() const
    {
        return maxQueueSize_ > 0 && queue_.size() >= maxQueueSize_;
    }

    void threadFunc()
    {
        printf("create id:%d
", ::GetCurrentThreadId());
        while (running_) {
            Task task(take());
            if (task) {
                task();
            }
        }
        printf("thread id:%d
", ::GetCurrentThreadId());
    }

    Task take()
    {
        std::unique_lock<std::mutex> ul(mutex_);
        while (queue_.empty() && running_) {
            notEmpty_.wait(ul);
        }
        Task task;
        if (!queue_.empty()) {
            task = queue_.front();
            queue_.pop_front();
            if (maxQueueSize_ > 0) {
                notFull_.notify_one();
            }
        }
        return task;
    }

private:
    int num_;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable notEmpty_;
    std::condition_variable notFull_;
    std::vector<std::thread> threads_;
    std::deque<Task> queue_;
    size_t maxQueueSize_;
    bool running_;
};


void fun()
{
    printf("[id:%d] hello, world!
", ::GetCurrentThreadId());
}

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    {
        printf("main thread id:%d
", ::GetCurrentThreadId());
        ThreadPool pool(3);
        pool.setMaxQueueSize(100);
        pool.start();
        //std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(3000));

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            pool.run(fun);
        }
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(3000));
    }
    system("pause");
    return 0;
}