C++多线程实现

C++11支持语言级别的多线程编程，可以跨平台运行，支持windows/linux/mac等。

主要涉及：

1. thread/mutex/condition_variable
2. lock_quard/unique_lock
3. automic：原子类型，基于CAS操作的原子类型，线程安全的
4. sleep_for

C++的thread本质上还是调用系统支持的函数，windows(createThread)、linux(pthread_create)进行多线程。

初识多线程

1. 如何创建启动一个线程？thread来创建一个线程对象，需要线程所需要的线程函数和参数；线程自动开启。
2. 子线程如何结束？子线程函数运行完成，线程就结束了。
3. 主线程如何处理子线程？join和detach方法。

#include <iostream>
#include <string>
#include<thread>

void threadHandle1() 
{
    // 让子线程睡眠两秒，this_thread获取当前线程，chrono计时的函数
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    std::cout << "hello,thread1" << std::endl;
}

void threadHandle2(int time)
{
    // 让子线程睡眠两秒，this_thread获取当前线程，chrono计时的函数
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(time));
    std::cout << "hello,thread2" << std::endl;
}

int main()
{   
    // 创建了一个线程对象t1，传入一个线程函数，新线程就开始运行了
    std::thread t1(threadHandle1);
    // join是子线程等待主线程结束，主线程继续往下执行，
    // detach则是分离线程，子线程和主线程无关联，可以独立运行，等主线程结束，整个程序结束，所有子线程都自动结束了
    
    // 传入参数的情况
    std::thread t2(threadHandle2, 2);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "main thread hello" << std::endl;

    return 0;
}

mutex和lock

多线程程序中可能会出现，竞态条件：多线程程序执行的结果是一致的，不会随着CPU对线程不同的调用顺序，而产生不同的运行结果。所以需要引入互斥锁来防止多个线程之间的对资源的访问正确性。

初识mutex互斥锁，使用lock和unlock函数完成进程互斥，将会导致程序中断将会导致mutex的内存释放问题。具体如下所示：

// 模拟车站卖票的程序
#include <iostream>
#include <string>
#include<thread>
#include<list>
#include<mutex>

using namespace std;
// 一共有tickCount张票
int tickCount = 10;
// 定义全局互斥锁
mutex mtx;

void sellTicket(int index)
{
    // mtx.lock(); //1、这样就只会存在一个窗口在卖票，因为while循环只支持一个线程访问
    while(tickCount>0)
    {   
        /*
        直接使用mutex.lock()和mutex.unlock()将会出现一个问题，
        当函数还未unlock时就因为程序中间return或者error结束后，
        导致mutex资源无法释放的问题。
        */
        mtx.lock(); //2、仅在临界区代码段 -> 原子操作 -> 线程间互斥操作 -> mutex
        // 在锁里面加判断是防止当一个进程1面临tickCount=1时，还为-1成功，
        // 另一个线程2进入while循环，只是在mtx.lock阻塞了，等进程1-1成功后，
        // 其实进程2获取到的tickCount已经由1->0，但是还是会进行tickCount--
        // 导致了最终卖出-1张票
        if(tickCount>0)
        {
            cout << "窗口:" << index << "卖出第" << tickCount << "张票。" << endl;
            tickCount--;
        }
        mtx.unlock(); //2、
        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(2));
    }
    // mtx.unlock(); // 1、
}
/*
多线程程序：
竞态条件：多线程程序执行的结果是一致的，不会随着CPU对线程不同的调用顺序，而产生不同的运行结果。
*/
int main()
{
    list<thread> tlist;
    int thread_num = 3;
    for (int i = 0; i < thread_num;i++)
    {
        tlist.push_back(thread(sellTicket, i));
    }
    for (thread &t : tlist)
    {
        t.join();
    }

        return 0;
}

所以进一步引入lock_guard（不可能用在函数参数传递或者返回过程中，也不能赋值使用，只能用于简单的加锁解锁的临界代码段当中）和unique_lock（一般用于进程通信，和condition_varible联合使用）在作用域结束后自动析构，类似于智能指针。如下代码所示

void sellTicket2(int index)
{
    while (tickCount > 0)
    {
        
        // mtx.lock(); 
        {
        	// lock_guard函数删除了拷贝构造函数和操作符=重载，类似于scoped_ptr，但保留了构造函数
            lock_guard<mutex> lock(mtx); //在这个局部作用域中，程序结束后自动析构，如果中间return了也会析构
            if (tickCount > 0)
            {
                cout << "窗口:" << index << "卖出第" << tickCount << "张票。" << endl;
                tickCount--;
        }
        }
        // mtx.unlock(); 
        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(2));
    }
}
void sellTicket3(int index)
{
    while (tickCount > 0)
    {

        // mtx.lock();
        {
        // lock_guard函数删除了拷贝构造函数和操作符=重载，类似于scoped_ptr，但保留了构造函数
        // lock_guard<mutex> lock(mtx); // 在这个局部作用域中，程序结束后自动析构，如果中间return了也会析构
        unique_lock<mutex> temp_lock(mtx); // 类似于unique_ptr，虽然删除了拷贝构造函数和操作符=重载，但是扩展了右值引用
        if (tickCount > 0)
        {
                cout << "窗口:" << index << "卖出第" << tickCount << "张票。" << endl;
                tickCount--;
        }
        }
        // mtx.unlock();
        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(2));
    }
}

unique_lock和condition_variable使用连用：

mutex mtx;
condition_variable cv;

unique_lock<mutex> lck(mtx);
cv.wait(lck); //1、wait的作用使线程进入等待状态；2、lck.unlock可以把mtx给释放掉
// 通知cv上等待的线程，条件成立了，可以往下运行了
//其他在cv上等待的线程，收到通知，从等待状态->阻塞状态->获取互斥锁->线程执行
cv.notify_all();

线程同步通信

多线程编程存在的问题：

1. 线程间的互斥；防止资源的访问出现问题。竞态条件 -> 临界区代码段 -> 原子操作 -> 互斥锁mutex(lock_guard、unique_lock)/强两级的无锁实现CAS
2. 线程间的同步通信。生产者和消费者线程模型。

互斥

多线程执行共享变量的这段代码可能会导致竞争状态，因此我们将此段代码称为临界区(criticalsection)，它是执行共享资源的代码片段，一定不能给多线程同时执行。

所以我们希望这段代码是互斥(mutualexclusion)的，也就说执行临界区(criticalsection)代码段的只能有一个线程，其他线程阻塞等待，达到排队效果。

互斥并不只是针对多线程的竞争条件，同时还可用于多进程，避免共享资源混乱。

同步

互斥解决了「多进程/线程」对临界区使用的问题，但是它没有解决「多进程/线程」协同工作的问题

我们都知道在多线程里，每个线程一定是顺序执行的，它们各自独立，以不可预知的速度向前推进，但有时候我们希望多个线程能密切合作，以实现一个共同的任务。

所谓同步，就是「多进程/线程间」在一些关键点上可能需要互相等待与互通消息，这种相互制约的等待与互通信息称为「进程/线程」同步。

生产者、消费者线程通信

这里涉及到两个线程之间的通信，生产者和消费者线程互相告知，lock_guard无法实现进程间通信这样复杂的工作，所以使用unique_lock和condition_variable进行搭配使用可以实现进程间的通信。代码如下所示：

#include <iostream>
#include <string>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<condition_variable>
#include<queue>

using namespace std;

// 定义互斥锁，用户线程间互斥
mutex mtx;
// 定义条件变量，用于线程间的同步通信
condition_variable cv;

// 最常见的问题就是消费者线程消费的更快，生产者线程还没生产出来就开始消费了
class Queue
{
    public:
    void put(int val)
    {
        // lock_guard<mutex> lock(mtx);

        unique_lock<mutex> lck(mtx);
        while(!que.empty())
        {
            // que不为空，生产者应该通知消费者去消费，消费完了在生产
            // 生产者进程应该进入阻塞状态，并把mtx互斥锁
            cv.wait(lck);
        }
        que.push(val);
        /*
        notify_one：通知另外的一个线程
        notify_all：通知另外的所有线程
        */
        // 通知其他的所有线程，生产了一个物品，可以进行消费了，
        // 其他线程得到该通知就会从 等待状态 -> 阻塞状态 -> 获取互斥锁才能继续执行。
        cv.notify_all(); 
        cout << "生产者 生产：" << val << "号物品" << endl;
    }
    int get()
    {
        // lock_guard<mutex> lock(mtx);
        unique_lock<mutex> lck(mtx);
        while(que.empty())
        {
            // 消费者发现que是空的，通知生产者线程生产物品
            // 进入等待状态，把互斥锁mutex进行释放
            cv.wait(lck);
        }
        int val = que.front();
        que.pop();
        cv.notify_all(); //消费完了，通知其他线程进行生产
        cout << "消费者 消费：" << val << "号物品" << endl;
        return val;
    }
    private:
        queue<int> que;
};
void producer(Queue* que)
{
    for (int i = 0; i <= 10;i++)
    {
        que->put(i);
        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
    }
}
void consumer(Queue* que)
{
    for (int i = 0; i <= 10; i++)
    {
        que->get();
        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
    }
}
int main()
{
    Queue que;
    thread t1(producer, &que);
    thread t2(consumer,&que);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

CAS操作

互斥锁是比较重的，临界区代码做的事情如果很复杂，互斥锁使用便很麻烦。但是使用CAS来实现某些代码操作的原子特性便是足够了，CAS是无锁的。使用的头文件为atomic，其实本质上也就是将某些类型设置为原子类型变量，导致只有一个线程可以独立使用。如下示例所示：

#include <iostream>
#include <string>
#include<atomic>
#include<list>
#include<thread>

using namespace std;

/*
使用lock_guard实现临界代码段的互斥访问
lock_guard<mutex> lock(mtx);
Count++;
*/
volatile std::atomic_bool isReady = {false};
volatile std::atomic_int number = {0};

void task()
{
    while(!isReady)
    {
        // 让线程让出当前的CPU时间片，等待下一次调度
        this_thread::yield();
    }
    for (int i = 0; i < 100;i++)
    {
        number++;
    }
}
int main()
{
    list<thread> tlist;
    for (int i = 0; i < 10;i++)
    {
        tlist.push_back(thread(task));
    }

    // 让主线程睡眠三秒
    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(3));
    cout << "number = " << number << endl;
    isReady = true;
    cout << "number = " << number << endl;
    for(thread &t:tlist)
    {
        t.join();
    }
    cout << "number = " << number << endl;
    return 0;
}
/*output::
number = 0
number = 1000
number = 1000
*/