《C++ 108好库》之2 多线程库thread，mutex，condition_variable，this_thread

《C++ 108好库》之2 多线程库thread，mutex，condition_variable，this_thread

C++11 中，多线程编程通过标准库 正式引入，提供了跨平台的线程管理能力。
多线程一般由这些类合作构成：std::thread类、std::mutex​​类、std::lock_guard类、 std::unique_lock类、condition_variable类

std::thread类

1 ​​创建线程​​
explicit thread(_Callable&& __f, _Args&&… __args)
使用 std::thread类创建线程，构造函数接受函数对象及参数：
向线程函数传递参数时，参数会被复制到线程的独立内存中；如果希望传递引用，需要使用std::ref。

2​​线程管理​​：
join()：等待线程完成。
detach()：将线程与主线程分离，使其独立运行。一旦分离，就不能再与之通信。
注意：在销毁std::thread对象之前，必须调用join()或detach()，否则程序会终止（调用std::terminate）。

​​互斥量（Mutex）​​类

C++11提供了std::mutex用于保护共享数据，防止数据竞争。

std::mutex​​类

std::mutex()

std::mutex::lock() ：调用此函数会尝试​​锁定​​互斥体。
行为：​​如果互斥体当前​​未被任何线程锁定​​，则调用线程获得锁，函数立即返回。如果互斥体​​已被其他线程锁定​​，则调用线程会被​​阻塞​​（挂起），直到持有锁的线程解锁该互斥体。一旦解锁，等待的线程之一（取决于调度）会获得锁并继续执行。
​​特点：​​ 阻塞调用。如果忘记解锁会导致死锁。
​​用法：​​ 当你需要确保临界区被独占访问，并且可以接受线程阻塞等待时使用。

std::mutex::try_lock()： 调用此函数会​​尝试​​锁定互斥体，但​​不会阻塞​​调用线程。
​​行为：​​如果互斥体当前​​未被锁定​​，则调用线程获得锁，函数返回 true。如果互斥体​​已被锁定​​（无论是当前线程还是其他线程），则函数​​立即返回 false​​，线程继续执行而不会被阻塞。
​​特点：​​ 非阻塞调用。需要检查返回值来判断是否成功获得锁。
​​用法：​​ 当你需要在锁不可用时做其他事情，避免阻塞线程时使用。常用于轮询、避免死锁策略（如按固定顺序获取多个锁失败时释放已持有的锁）或非关键路径的优化。

std::mutex::unlock()：解锁

std::lock_guard类

它在构造时自动锁定给定的互斥体，并在析构时（通常是离开作用域时）自动解锁它。
​​构造时：​​ 调用传入的互斥体（如 std::mutex）的 lock()方法。这会阻塞直到获得锁。
​​析构时：​​ 调用互斥体的 unlock()方法。
用法：std::lock_guardstd::mutex lock(mtx); // 构造时自动调用 mtx.lock()

std::unique_lock类

功能比 lock_guard​​更强大、更灵活​​。它也管理互斥体的锁定和解锁，但提供了更多的控制选项。
​​行为/特点：​​
​​灵活的构造：​​默认构造：创建一个不关联任何互斥体的 unique_lock。
关联互斥体并立即锁定（阻塞）：unique_lock lock(mtx);(等价于 lock_guard)
关联互斥体但​​延迟锁定​​：unique_lock lock(mtx, std::defer_lock);构造时不锁定，稍后手动调用 lock(), try_lock()或 try_lock_for()/try_lock_until()（针对 std::timed_mutex）。
关联互斥体并尝试锁定：unique_lock lock(mtx, std::try_to_lock);构造时调用 mtx.try_lock()。
关联互斥体并假设已锁定（接管所有权）：unique_lock lock(mtx, std::adopt_lock);假设调用线程已经持有 mtx的锁，unique_lock负责后续解锁。
手动控制：​​
lock(): 阻塞锁定关联的互斥体（如果尚未锁定）。
try_lock(): 尝试非阻塞锁定关联的互斥体。
unlock(): ​​手动解锁​​关联的互斥体，在 unique_lock析构前可以临时释放锁（这在 lock_guard中是不可能的）。析构时如果互斥体仍被该 unique_lock持有，会自动解锁。
release(): 释放对互斥体的所有权管理（返回互斥体指针），不再负责解锁。调用者需手动管理。
​​所有权：​​
可移动 (std::move)，但不可复制。锁的所有权可以在 unique_lock对象之间转移。
​​条件变量：​​ std::condition_variable::wait等函数​​必须​​使用 std::unique_lockstd::mutex作为参数，因为它需要能在等待时解锁和重新锁定互斥体（这是 lock_guard做不到的）。

​​条件变量（Condition Variable）​​类

<condition_variable>
用于线程间的同步，允许线程在某些条件不满足时休眠，直到被其他线程通知。通常与互斥量一起使用。
void notify_one() noexcept;
void notify_all() noexcept;
wait(unique_lock& __lock) noexcept;
wait_until(unique_lock& __lock,const chrono::time_point<__clock_t, _Duration>& __atime)
wait_for(unique_lock& __lock, const chrono::duration<_Rep, _Period>& __rtime)

获取线程ID和 延时

std::this_thread里的函数
inline thread::id get_id()
获取​​当前执行线程的唯一标识符​​。
std::thread::id main_id = std::this_thread::get_id(); // 输出示例：0x70000a15c000

inline void sleep_for(const chrono::duration<_Rep, _Period>& __rtime)
使​​当前线程阻塞​​一段指定的​​相对时间​​。
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

inline void sleep_until(const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& __atime)
使​​当前线程阻塞​​直到​​绝对时间点​​。

使用例子

创建线程

std::thread thread_hello(hello,"LiHua");
thread_hello.join();

传入函数给线程
void hello(const std::string str) {
std::cout << "hello world! "<<str<<std::endl;
}

使用mutex和Condition Variable的生产者-消费者模型

std::thread thread_producer(producer);
thread_producer.detach();std::thread thread_consumer(consumer);
thread_consumer.join();

其中的线程函数

std::queue<int> dataQueue;
std::mutex mtx_test_thread;
std::condition_variable cv_test_thread;
void producer() {for (int i = 0; i < 50; ++i) {{std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx_test_thread);dataQueue.push(i); std::cout << "push:" << i << std::endl;}std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));cv_test_thread.notify_one(); // 通知消费者}
}void consumer() {while (true) {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx_test_thread);cv_test_thread.wait(lock, [] { return !dataQueue.empty(); });int value = dataQueue.front();dataQueue.pop();lock.unlock();if (value == -1) break; // 终止条件std::cout << "Consumed: " << value << std::endl;}
}