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C++多线程编程

分类: 文章 • 2024-11-28 15:21:22

并发与并行

并发的概念在多线程编程中很重要，值得是多个进程同时进行处理。在单核时代，多进程的并发只能交替进行。
C++多线程编程
现在的多核时代就可以并行了
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多线程的并发与多进程的并发

  • 场景一：你和小伙伴要开发一个项目，但小伙伴们放寒假都回家了，你们只能通过QQ聊天、手机通话、发送思维导图等方式来进行交流，总之你们无法很方便地进行沟通。好处是你们各自工作时可以互不打扰。
  • 场景二：你和小伙伴放假都呆在学校实验室中开发项目，你们可以聚在一起使用头脑风暴，可以使用白板进行观点的阐述，总之你们沟通变得更方便有效了。有点遗憾的是你在思考时可能有小伙伴过来问你问题，你受到了打扰。
    这两个场景描绘了并发的两种基本途径。每个小伙伴代表一个线程，工作地点代表一个处理器。场景一中每个小伙伴是一个单线程的进程，他们拥有独立的处理器，多个进程同时执行；场景二中只有一个处理器（注意这个处理器必须是多核的），所有小伙伴都是属于同一进程的线程。

C++多线程编程

多进程并发

多个进程独立地运行，它们之间通过进程间常规的通信渠道传递讯息（信号，套接字，文件，管道等），这种进程间通信不是设置复杂就是速度慢，这是因为为了避免一个进程去修改另一个进程，操作系统在进程间提供了一定的保护措施，当然，这也使得编写安全的并发代码更容易。运行多个进程也需要固定的开销：进程的启动时间，进程管理的资源消耗。

多线程并发

在当个进程中运行多个线程也可以并发。线程就像轻量级的进程，每个线程相互独立运行，但它们共享地址空间，所有线程访问到的大部分数据如指针、对象引用或其他数据可以在线程之间进行传递，它们都可以访问全局变量。进程之间通常共享内存，但这种共享通常难以建立且难以管理，缺少线程间数据的保护。因此，在多线程编程中，我们必须确保每个线程锁访问到的数据是一致的。

C++11 的多线程

C++11的标准库中提供了多线程库，使用时需要#include <thread>头文件，该头文件主要包含了对线程的管理类std::thread以及其他管理线程相关的类。下面是使用C++多线程库的一个简单示例：

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

void output(int i)
{
    cout << i << endl;
}

int main()
{
    
    for (uint8_t i = 0; i < 4; i++)
    {
        thread t(output, i);
        t.detach(); 
    }
        
    getchar();
    return 0;
}

在一个for循环内，创建4个线程分别输出数字0、1、2、3，并且在每个数字的末尾输出换行符。语句thread t(output, i)创建一个线程t，该线程运行output，第二个参数i是传递给output的参数。t在创建完成后自动启动，t.detach表示该线程在后台允许，无需等待该线程完成，继续执行后面的语句。这段代码的功能是很简单的，如果是顺序执行的话，其结果很容易预测得到
0 \n 1 \n 2\n 3 \n
但是在并行多线程下，其执行的结果就多种多样了，下图是代码一次运行的结果:
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可以看出，首先输出了01，并没有输出换行符；紧接着却连续输出了2个换行符。不是说好的并行么，同时执行，怎么还有先后的顺序？这就涉及到多线程编程最核心的问题了资源竞争。CPU有4核，可以同时执行4个线程这是没有问题了，**但是控制台却只有一个，同时只能有一个线程拥有这个唯一的控制台，**将数字输出。将上面代码创建的四个线程进行编号：t0,t1,t2,t3，分别输出的数字：0,1,2,3。参照上图的执行结果，控制台的拥有权的转移如下：

  • t0拥有控制台，输出了数字0，但是其没有来的及输出换行符，控制的拥有权却转移到了t1；
  • t1完成自己的输出，t1线程完成 （1\n）
  • 控制台拥有权转移给t0，输出换行符 （\n）
  • t2拥有控制台，完成输出 （2\n）
  • t3拥有控制台，完成输出 （3\n)
    由于控制台是系统资源，这里控制台拥有权的管理是操作系统完成的。但是，假如是多个线程共享进程空间的数据，这就需要自己写代码控制，每个线程何时能够拥有共享数据进行操作。共享数据的管理以及线程间的通信，是多线程编程的两大核心。

线程管理

每个应用程序至少有一个进程，而每个进程至少有一个主线程，除了主线程外，在一个进程中还可以创建多个线程。每个线程都需要一个入口函数，入口函数返回退出，该线程也会退出，主线程就是以main函数作为入口函数的线程。在C++ 11的线程库中，将线程的管理在了类std::thread中，使用std::thread可以创建、启动一个线程，并可以将线程挂起、结束等操作。

启动一个线程

C++ 11的线程库启动一个线程是非常简单的，只需要创建一个std::thread对象，就会启动一个线程，并使用该std::thread对象来管理该线程。

do_task();
std::thread(do_task);

当线程启动后，一定要在和线程相关联的thread销毁前，确定以何种方式等待线程执行结束。C++11有两种方式来等待线程结束:

  • detach方式，启动的线程自主在后台运行，当前的代码继续往下执行，不等待新线程结束。前面代码所使用的就是这种方式。
  • join方式，等待启动的线程完成，才会继续往下执行。假如前面的代码使用这种方式，其输出就会0,1,2,3，因为每次都是前一个线程输出完成了才会进行下一个循环，启动下一个新线程。
    无论在何种情形，一定要在thread销毁前，调用t.join或者t.detach，来决定线程以何种方式运行。当使用join方式时，会阻塞当前代码，等待线程完成退出后，才会继续向下执行；而使用detach方式则不会对当前代码造成影响，当前代码继续向下执行，创建的新线程同时并发执行，这时候需要特别注意：创建的新线程对当前作用域的变量的使用，创建新线程的作用域结束后，有可能线程仍然在执行，这时局部变量随着作用域的完成都已销毁，如果线程继续使用局部变量的引用或者指针，会出现意想不到的错误，并且这种错误很难排查。例如：
auto fn = [](int *a){
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    cout << *a << endl; 
};

[]{
    int a = 100;

    thread t(fn, &a);

    t.detach();
}();

在lambda表达式中，使用fn启动了一个新的线程，在装个新的线程中使用了局部变量a的指针，并且将该线程的运行方式设置为detach。这样，在lamb表达式执行结束后，变量a被销毁，但是在后台运行的线程仍然在使用已销毁变量a的指针，其输出结果如下：
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只有第一个输出是正确的值，后面输出的值是a已被销毁后输出的结果。所以在以detach的方式执行线程时，要将线程访问的局部数据复制到线程的空间（使用值传递），一定要确保线程没有使用局部变量的引用或者指针，除非你能肯定该线程会在局部作用域结束前执行结束。当然，使用join方式的话就不会出现这种问题，它会在作用域结束前完成退出。

向线程传递参数

向线程调用的函数传递参数也是很简单的，只需要在构造thread的实例时，依次传入即可。例如：

void func(int *a,int n){}

int buffer[10];
thread t(func,buffer,10);
t.join();

需要注意的是，默认的会将传递的参数以拷贝的方式复制到线程空间，即使参数的类型是引用。例如：

void func(int a,const string& str);
thread t(func,3,"hello");

如果在线程中使用引用来更新对象时，就需要注意了。默认的是将对象拷贝到线程空间，其引用的是拷贝的线程空间的对象，而不是初始希望改变的对象。如下：

class _tagNode
{
public:
    int a;
    int b;
};

void func(_tagNode &node)
{
    node.a = 10;
    node.b = 20;
}

void f()
{
    _tagNode node;

    thread t(func, node);
    t.join();

    cout << node.a << endl ;
    cout << node.b << endl ;
}

在线程内，将对象的字段a和b设置为新的值，但是在线程调用结束后，这两个字段的值并不会改变。这样由于引用的实际上是局部变量node的一个拷贝，而不是node本身。在将对象传入线程的时候，调用std::ref，将node的引用传入线程，而不是一个拷贝。

转移线程的所有权

thread是可移动的(movable)的，但不可复制(copyable)。可以通过move来改变线程的所有权，灵活的决定线程在什么时候join或者detach。

thread t1(f1);
thread t3(move(t1));

将线程从t1转移给t3,这时候t1就不再拥有线程的所有权，调用t1.join或t1.detach会出现异常，要使用t3来管理线程。这也就意味着thread可以作为函数的返回类型，或者作为参数传递给函数，能够更为方便的管理线程。
线程的标识类型为``std::thread::id```，有两种方式获得到线程的id。

  • 通过thread的实例调用get_id()直接获取
  • 在当前线程上调用this_thread::get_id()获取

总结

本文主要介绍了C++11引入的标准多线程库的一些基本操作。有以下内容：

  • 线程的创建
  • 线程的执行方式,join或者detach
  • 向线程函数传递参数，需要注意的是线程默认是以拷贝的方式传递参数的，当期望传入一个引用时，要使用std::ref进行转换
  • 线程是movable的，可以在函数内部或者外部进行传递
  • 每个线程都一个标识，可以调用get_id获取。
参考

https://www.cnblogs.com/wangguchangqing/p/6134635.html
https://www.cnblogs.com/lpxblog/p/5190438.html

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