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线程库

在C++11之前,涉及到多线程问题,都是和平台相关的,比如Windows和Linux下各有自己的接口,这使得代码的可移植性比较差。C++11中最重要的特性就是对线程进行了支持,使得C++在并行编程时不需要依赖第三方库,而且在原子操作中还引入了原子类的概念。

线程库(thread)

线程对象的构造方式

一、调用无参的构造函数

thread提供了无参的构造函数,调用无参的构造函数创建出来的线程对象没有关联任何线程函数,即没有启动任何线程。比如:

thread t1;

由于thread提供了移动赋值函数,因此当后续需要让该线程对象与线程函数关联时,可以以带参的方式创建一个匿名对象,然后调用移动赋值将该匿名对象关联线程的状态转移给该线程对象。比如:

void func(int n)
{
for (int i = 0; i <= n; i++)
{
cout << i << endl;
}
}
int main()
{
thread t1;
//...
t1 = thread(func, 10);

t1.join();
return 0;
}

场景: 实现线程池的时候就是需要先创建一批线程,但一开始这些线程什么也不做,当有任务到来时再让这些线程来处理这些任务。

二、调用带参的构造函数

thread的带参的构造函数的定义如下:

template <class Fn, class... Args>
explicit thread (Fn&& fn, Args&&... args);

参数说明:

  • ​fn​​:可调用对象,比如函数指针、仿函数、lambda表达式、被包装器包装后的可调用对象等。
  • ​args...​​:调用可调用对象fn时所需要的若干参数。

调用带参的构造函数创建线程对象,能够将线程对象与线程函数fn进行关联。比如:

void func(int n)
{
for (int i = 0; i <= n; i++)
{
cout << i << endl;
}
}
int main()
{
thread t2(func, 10);

t2.join();
return 0;
}

三、调用移动构造函数

thread提供了移动构造函数,能够用一个右值线程对象来构造一个线程对象。比如:

void func(int n)
{
for (int i = 0; i <= n; i++)
{
cout << i << endl;
}
}
int main()
{
thread t3 = thread(func, 10);

t3.join();
return 0;
}

说明一下:

  • 线程是操作系统中的一个概念,线程对象可以关联一个线程,用来控制线程以及获取线程的状态。
  • 如果创建线程对象时没有提供线程函数,那么该线程对象实际没有对应任何线程。
  • 如果创建线程对象时提供了线程函数,那么就会启动一个线程来执行这个线程函数,该线程与主线程一起运行。
  • thread类是防拷贝的,不允许拷贝构造和拷贝赋值,但是可以移动构造和移动赋值,可以将一个线程对象关联线程的状态转移给其他线程对象,并且转移期间不影响线程的执行。

thread提供的成员函数

thread中常用的成员函数如下:

成员函数

功能

join

对该线程进行等待,在等待的线程返回之前,调用join函数的线程将会被阻塞

joinable

判断该线程是否已经执行完毕,如果是则返回true,否则返回false

detach

将该线程与创建线程进行分离,被分离后的线程不再需要创建线程调用join函数对其进行等待

get_id

获取该线程的id

swap

将两个线程对象关联线程的状态进行交换

此外,​​joinable​​函数还可以用于判定线程是否是有效的,如果是以下任意情况,则线程无效:

  • 采用无参构造函数构造的线程对象。(该线程对象没有关联任何线程)
  • 线程对象的状态已经转移给其他线程对象。(已经将线程交给其他线程对象管理)
  • 线程已经调用join或detach结束。(线程已经结束)

获取线程的id的方式

调用thread的成员函数​​get_id​​​可以获取线程的id,但该方法必须通过线程对象来调用​​get_id​​​函数,如果要在线程对象关联的线程函数中获取线程id,可以调用​​this_thread​​​命名空间下的​​get_id​​函数。比如:

void func()
{
cout << this_thread::get_id() << endl; //获取线程id
}
int main()
{
thread t(func);

t.join();
return 0;
}

​this_thread​​命名空间中还提供了以下三个函数:

函数名

功能

yield

当前线程“放弃”执行,让操作系统调度另一线程继续执行

sleep_until

让当前线程休眠到一个具体时间点

sleep_for

让当前线程休眠一个时间段

线程函数的参数问题

线程函数的参数是以值拷贝的方式拷贝到线程栈空间中的,就算线程函数的参数为引用类型,在线程函数中修改后也不会影响到外部实参,因为其实际引用的是线程栈中的拷贝,而不是外部实参。比如:

void add(int& num)
{
num++;
}
int main()
{
int num = 0;
thread t(add, num);
t.join();

cout << num << endl; //0
return 0;
}

如果要通过线程函数的形参改变外部的实参,可以参考以下三种方式:

方式一:借助std::ref函数

当线程函数的参数类型为引用类型时,如果要想线程函数形参引用的是外部传入的实参,而不是线程栈空间中的拷贝,那么在传入实参时需要借助ref函数保持对实参的引用。比如:

void add(int& num)
{
num++;
}
int main()
{
int num = 0;
thread t(add, ref(num));
t.join();

cout << num << endl; //1
return 0;
}

方式二:地址的拷贝

将线程函数的参数类型改为指针类型,将实参的地址传入线程函数,此时在线程函数中可以通过修改该地址处的变量,进而影响到外部实参。比如:

void add(int* num)
{
(*num)++;
}
int main()
{
int num = 0;
thread t(add, &num);
t.join();

cout << num << endl; //1
return 0;
}

方式三:借助lambda表达式

将lambda表达式作为线程函数,利用lambda函数的捕捉列表,以引用的方式对外部实参进行捕捉,此时在lambda表达式中对形参的修改也能影响到外部实参。比如:

int main()
{
int num = 0;
thread t([&num]{num++; });
t.join();

cout << num << endl; //1
return 0;
}

join与detach

启动一个线程后,当这个线程退出时,需要对该线程所使用的资源进行回收,否则可能会导致内存泄露等问题。thread库给我们提供了如下两种回收线程资源的方式:

join方式

主线程创建新线程后,可以调用join函数等待新线程终止,当新线程终止时​​join​​函数就会自动清理线程相关的资源。

​join​​​函数清理线程的相关资源后,thread对象与已销毁的线程就没有关系了,因此一个线程对象一般只会使用一次​​join​​,否则程序会崩溃。比如:

void func(int n)
{
for (int i = 0; i <= n; i++)
{
cout << i << endl;
}
}
int main()
{
thread t(func, 20);
t.join();
t.join(); //程序崩溃
return 0;
}

但如果一个线程对象​​join​​​后,又调用移动赋值函数,将一个右值线程对象的关联线程的状态转移过来了,那么这个线程对象又可以调用一次​​join​​。比如:

void func(int n)
{
for (int i = 0; i <= n; i++)
{
cout << i << endl;
}
}
int main()
{
thread t(func, 20);
t.join();

t = thread(func, 30);
t.join();
return 0;
}

但采用​​join​​​的方式结束线程,在某些场景下也可能会出现问题。比如在该线程被​​join​​​之前,如果中途因为某些原因导致程序不再执行后续代码,这时这个线程将不会被​​join​​。

void func(int n)
{
for (int i = 0; i <= n; i++)
{
cout << i << endl;
}
}
bool DoSomething()
{
return false;
}
int main()
{
thread t(func, 20);

//...
if (!DoSomething())
return -1;
//...

t.join(); //不会被执行
return 0;
}

因此采用​​join​​​方式结束线程时,​​join​​的调用位置非常关键,为了避免上述问题,可以采用RAII的方式对线程对象进行封装,也就是利用对象的生命周期来控制线程资源的释放。比如:

class myThread
{
public:
myThread(thread& t)
:_t(t)
{}
~myThread()
{
if (_t.joinable())
_t.join();
}
//防拷贝
myThread(myThread const&) = delete;
myThread& operator=(const myThread&) = delete;
private:
thread& _t;
};

使用方式如下:

  • 每当创建一个线程对象后,就用myThread类对其进行封装产生一个myThread对象。
  • 当myThread对象生命周期结束时就会调用析构函数,在析构中会通过​​joinable​​​判断这个线程是否需要被​​join​​​,如果需要那么就会调用​​join​​对其该线程进行等待。

例如刚才的代码中,使用myThread类对线程对象进行封装后,就能保证线程一定会被​​join​​。

int main()
{
thread t(func, 20);
myThread mt(t); //使用myThread对线程对象进行封装

//...
if (!DoSomething())
return -1;
//...

t.join();
return 0;
}

detach方式

主线程创建新线程后,也可以调用​​detach​​函数将新线程与主线程进行分离,分离后新线程会在后台运行,其所有权和控制权将会交给C++运行库,此时C++运行库会保证当线程退出时,其相关资源能够被正确回收。

  • 使用​​detach​​​的方式回收线程的资源,一般在线程对象创建好之后就立即调用​​detach​​函数。
  • 否则线程对象可能会因为某些原因,在后续调用​​detach​​函数分离线程之前被销毁掉,这时就会导致程序崩溃。
  • 因为当线程对象被销毁时会调用thread的析构函数,而在thread的析构函数中会通过​​joinable​​​判断这个线程是否需要被​​join​​​,如果需要那么就会调用​​terminate​​终止当前程序(程序崩溃)。

互斥量库(mutex)

mutex的种类

四种互斥量

在C++11中,mutex中总共包了四种互斥量:

1、std::mute
mutex锁是C++11提供的最基本的互斥量,mutex对象之间不能进行拷贝,也不能进行移动。

mutex中常用的成员函数如下:

成员函数

功能

lock

对互斥量进行加锁

try_lock

尝试对互斥量进行加锁

unlock

对互斥量进行解锁,释放互斥量的所有权

线程函数调用​​lock​​时,可能会发生以下三种情况:

  • 如果该互斥量当前没有被其他线程锁住,则调用线程将该互斥量锁住,直到调用​​unlock​​之前,该线程一致拥有该锁。
  • 如果该互斥量已经被其他线程锁住,则当前的调用线程会被阻塞。
  • 如果该互斥量被当前调用线程锁住,则会产生死锁(deadlock)。

线程调用​​try_lock​​时,类似也可能会发生以下三种情况:

  • 如果该互斥量当前没有被其他线程锁住,则调用线程将该互斥量锁住,直到调用​​unlock​​之前,该线程一致拥有该锁。
  • 如果该互斥量已经被其他线程锁住,则​​try_lock​​调用返回false,当前的调用线程不会被阻塞。
  • 如果该互斥量被当前调用线程锁住,则会产生死锁(deadlock)。

2、std::recursive_mutex
recursive_mutex叫做递归互斥锁,该锁专门用于递归函数中的加锁操作。

  • 如果在递归函数中使用mutex互斥锁进行加锁,那么在线程进行递归调用时,可能会重复申请已经申请到但自己还未释放的锁,进而导致死锁问题。
  • 而recursive_mutex允许同一个线程对互斥量多次上锁(即递归上锁),来获得互斥量对象的多层所有权,但是释放互斥量时需要调用与该锁层次深度相同次数的​​unlock​​。

除此之外,recursive_mutex也提供了​​lock​​​、​​try_lock​​​和​​unlock​​成员函数,其的特性与mutex大致相同。

3、std::timed_mutex
timed_mutex中提供了以下两个成员函数:

  • ​try_lock_for​​:接受一个时间范围,表示在这一段时间范围之内线程如果没有获得锁则被阻塞住,如果在此期间其他线程释放了锁,则该线程可以获得对互斥量的锁,如果超时(即在指定时间之内还是没有获得锁),则返回false。
  • ​try_lock_untill​​:接受一个时间点作为参数,在指定时间点未到来之前线程如果没有获得锁则被阻塞住,如果在此期间其他线程释放了锁,则该线程可以获得对互斥量的锁,如果超时(即在指定时间点到来时还是没有获得锁),则返回false。

除此之外,timed_mutex也提供了​​lock​​​、​​try_lock​​​和​​unlock​​成员函数,其的特性与mutex相同。

4、std::recursive_timed_mutex
recursive_timed_mutex就是recursive_mutex和timed_mutex的结合,recursive_timed_mutex既支持在递归函数中进行加锁操作,也支持定时尝试申请锁。

加锁示例

在没有使用互斥锁保证线程安全的情况下,让两个线程各自打印1-100的数字,就会导致控制台输出错乱。比如:

void func(int n)
{
for (int i = 1; i <= n; i++)
{
cout << i << endl;
}
}
int main()
{
thread t1(func, 100);
thread t2(func, 100);

t1.join();
t2.join();
return 0;
}

如果要让两个线程的输出不会相互影响,即不会让某一次输出中途被另一个线程打断,那么就需要用互斥锁对打印过程进行保护。

这里加锁的方式有两种,一种是在for循环体内进行加锁,一种是在for循环体外进行加锁。比如:

void func(int n, mutex& mtx)
{
mtx.lock(); //for循环体外加锁
for (int i = 1; i <= n; i++)
{
//mtx.lock(); //for循环体内加锁
cout << i << endl;
//mtx.unlock();
}
mtx.unlock();
}
int main()
{
mutex mtx;
thread t1(func, 100, ref(mtx));
thread t2(func, 100, ref(mtx));

t1.join();
t2.join();
return 0;
}

说明一下:

  • 此处在for循环体外加锁比在for循环体内加锁更高效,因为在for循环体内加锁会导致线程打印数字时频繁进行加锁解锁操作,而如果在for循环体外加锁,那么这两个线程只需要在开始打印1之前进行一次加锁,在打印完100后进行一次解锁就行了。
  • 在for循环体外加锁也就意味着两个线程的打印过程变成了串行的,即一个线程打印完1-100后另一个线程再打印,但这时打印效率提高了,因为避免了这两个线程间的频繁切换。
  • 为了保证两个线程使用的是同一个互斥锁,线程函数必须以引用的方式接收传入的互斥锁,并且在传参时需要使用ref函数保持对互斥锁的引用。
  • 此外,也可以将互斥锁定义为全局变量,或是用lambda表达式定义线程函数,然后以引用的方式将局部的互斥锁进行捕捉,这两种方法也能保证两个线程使用的是同一个互斥锁。

经验分享:

  • 在项目中实际不太建议定义全局变量,因为全局变量如果定义在头文件中,当这个头文件被多个源文件包含时,在这多个源文件中都会对这个全局变量进行定义,这时就会导致变量重定义,但如果将全局变量定义为静态,那这个全局变量就只在当前文件可见。
  • 如果确实有一些变量需要在多个文件中使用,那么一般建议将这些变量封装到一个类当中,然后将这个类设计成单例模式,当需要使用这些变量时就通过这个单例对象去访问即可。

lock_guard和unique_lock

使用互斥锁时可能出现的问题

使用互斥锁时,如果加锁的范围太大,那么极有可能在中途返回时忘记了解锁,此后申请这个互斥锁的线程就会被阻塞住,也就是造成了死锁问题。比如:

mutex mtx;
void func()
{
mtx.lock();
//...
FILE* fout = fopen("data.txt", "r");
if (fout == nullptr)
{
//...
return; //中途返回(未解锁)
}
//...
mtx.unlock();
}
int main()
{
func();
return 0;
}

因此使用互斥锁时如果控制不好就会造成死锁,最常见的就是此处在锁中间代码返回,此外还有一个比较常见的情况就是在锁的范围内抛异常,也很容易导致死锁问题。

因此C++11采用RAII的方式对锁进行了封装,于是就出现了lock_guard和unique_lock。

lock_guard

lock_guard是C++11中的一个模板类,其定义如下:

template <class Mutex>
class lock_guard;

lock_guard类模板主要是通过RAII的方式,对其管理的互斥锁进行了封装。

  • 在需要加锁的地方,用互斥锁实例化一个lock_guard对象,在lock_guard的构造函数中会调用​​lock​​进行加锁。
  • 当lock_guard对象出作用域前会调用析构函数,在lock_guard的析构函数中会调用​​unlock​​自动解锁。

通过这种构造对象时加锁,析构对象时自动解锁的方式就有效的避免了死锁问题。比如:

mutex mtx;
void func()
{
lock_guard<mutex> lg(mtx); //调用构造函数加锁
//...
FILE* fout = fopen("data.txt", "r");
if (fout == nullptr)
{
//...
return; //调用析构函数解锁
}
//...
} //调用析构函数解锁
int main()
{
func();
return 0;
}

从lock_guard对象定义到该对象析构,这段区域的代码都属于互斥锁的保护范围。

如果只想用lock_guard保护某一段代码,可以通过定义匿名的局部域来控制lock_guard对象的生命周期。比如:

mutex mtx;
void func()
{
//...
//匿名局部域
{
lock_guard<mutex> lg(mtx); //调用构造函数加锁
FILE* fout = fopen("data.txt", "r");
if (fout == nullptr)
{
//...
return; //调用析构函数解锁
}
} //调用析构函数解锁
//...
}
int main()
{
func();
return 0;
}

模拟实现lock_guard

模拟实现lock_guard类的步骤如下:

  • lock_guard类中包含一个锁成员变量(引用类型),这个锁就是每个lock_guard对象管理的互斥锁。
  • 调用lock_guard的构造函数时需要传入一个被管理互斥锁,用该互斥锁来初始化锁成员变量后,调用互斥锁的​​lock​​函数进行加锁。
  • lock_guard的析构函数中调用互斥锁的​​unlock​​进行解锁。
  • 需要删除lock_guard类的拷贝构造和拷贝赋值,因为lock_guard类中的锁成员变量本身也是不支持拷贝的。

代码如下:

namespace cl
{
template<class Mutex>
class lock_guard
{
public:
lock_guard(Mutex& mtx)
:_mtx(mtx)
{
mtx.lock(); //加锁
}
~lock_guard()
{
mtx.unlock(); //解锁
}
lock_guard(const lock_guard&) = delete;
lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
Mutex& _mtx;
};
}

unique_lock

但由于lock_guard太单一,用户没有办法对锁进行控制,因此C++11又提供了unique_lock。

unique_lock与lock_guard类似,unique_lock类模板也是采用RAII的方式对锁进行了封装。在创建unique_lock对象调用构造函数时也会调用lock进行加锁,在unique_lock对象销毁调用析构函数时也会调用unlock进行解锁。

但lock_guard不同的是,unique_lock更加的灵活,提供了更多的成员函数:

  • 加锁/解锁操作:lock、try_lock、try_lock_for、try_lock_until和unlock。
  • 修改操作:移动赋值、swap、release(返回它所管理的互斥量对象的指针,并释放所有权)。
  • 获取属性:owns_lock(返回当前对象是否上了锁)、operator bool(与owns_lock的功能相同)、mutex(返回当前unique_lock所管理的互斥量的指针)。

比如如下场景就适合使用unique_lock:

  • 要用互斥锁保护函数1的大部分代码,但是中间有一小块代码调用了函数2,而调用函数2时不需要用函数1中的互斥锁进行保护,函数2内部的代码由其他互斥锁进行保护。
  • 因此在调用函数2之前需要对当前互斥锁进行解锁,当函数2调用返回后再进行加锁,这样当调用函数2时其他线程调用函数1就能够获取到这个锁。

如下图:

C++11 ——— 线程库_互斥量

原子性操作库(atomic)

线程安全问题

多线程最主要的问题是共享数据带来的问题(即线程安全)。如果共享数据都是只读的,那么没问题,因为只读操作不会影响到数据,更不会涉及对数据的修改,所以所有线程都会获得同样的数据。但是,当一个或多个线程要修改共享数据时,就会产生很多潜在的麻烦。比如:

void func(int& n, int times)
{
for (int i = 0; i < times; i++)
{
n++;
}
}
int main()
{
int n = 0;
int times = 100000; //每个线程对n++的次数
thread t1(func, ref(n), times);
thread t2(func, ref(n), times);

t1.join();
t2.join();
cout << n << endl; //打印n的值
return 0;
}

上述代码中分别让两个线程对同一个变量n进行了100000次​​++​​操作,理论上最终n的值应该是200000,但最终打印出n的值却是小于200000的。

根本原因就是​​++​​操作并不是一个原子操作,该操作分为三步:

  • ​load​​:将共享变量n从内存加载到寄存器中。
  • ​update​​:更新寄存器里面的值,执行+1操作。
  • ​store​​:将新值从寄存器写回共享变量n的内存地址。

​++​​操作对应的汇编代码如下:

C++11 ——— 线程库_加锁_02


因此可能当线程1刚将n的值加载到寄存器中就被切走了,也就是只完成了​​++​​​操作的第一步,而线程2可能顺利完成了一次完整的​​++​​​操作才被切走,而这时线程1继续用之前加载到寄存器中的值完成剩余的两步操作,最终就会导致两个线程分别对共享变量n进行了一次​​++​​​操作,但最终n的值却只被​​++​​了一次。

加锁解决线程安全问题

C++98中对于这里出现的线程安全的问题,会选择对共享修改的数据进行加锁保护。比如:

void func(int& n, int times, mutex& mtx)
{
mtx.lock();
for (int i = 0; i < times; i++)
{
//mtx.lock();
n++;
//mtx.unlock();
}
mtx.unlock();
}
int main()
{
int n = 0;
int times = 100000; //每个线程对n++的次数
mutex mtx;
thread t1(func, ref(n), times, ref(mtx));
thread t2(func, ref(n), times, ref(mtx));

t1.join();
t2.join();
cout << n << endl; //打印n的值
return 0;
}

这里可以选择在for循环体里面进行加锁解锁,也可以选择在for循环体外进行加锁解锁。但效果终究是不尽人意的,在for循环体里面进行加锁解锁会导致线程的频繁进行加锁解锁操作,在for循环体外面进行加锁解锁会导致两个线程的执行逻辑变为串行,而且如果锁控制得不好,还容易造成死锁。

原子类解决线程安全问题

C++11中引入了原子操作类型,使得线程间数据的同步变得非常高效。如下:

原子类型名称

对应的内置类型名称

atomic_bool

bool

atomic_char

char

atomic_schar

signed char

atomic_uchar

unsigned char

atomic_int

int

atomic_uint

unsigned int

atomic_short

short

atomic_ushort

unsigned short

atomic_long

long

atomic_ulong

unsigned long

atomic_llong

long long

atomic_ullong

unsigned long long

atomic_char16_t

char16_t

atomic_char32_t

char32_t

atomic_wchar_t

wchar_t

注意: 需要用大括号对原子类型的变量进行初始化。

程序员不需要对原子类型进行加锁解锁操作,线程能够对原子类型变量互斥访问。比如刚才的代码可以改为:

void func(atomic_int& n, int times)
{
for (int i = 0; i < times; i++)
{
n++;
}
}
int main()
{
atomic_int n = { 0 };
int times = 100000; //每个线程对n++的次数
thread t1(func, ref(n), times);
thread t2(func, ref(n), times);

t1.join();
t2.join();
cout << n << endl; //打印n的值
return 0;
}

除此之外,也可以使用atomic类模板定义出任意原子类型。比如上述代码还可以改为:

void func(atomic<int>& n, int times)
{
for (int i = 0; i < times; i++)
{
n++;
}
}
int main()
{
atomic<int> n = 0;
int times = 100000; //每个线程对n++的次数
thread t1(func, ref(n), times);
thread t2(func, ref(n), times);

t1.join();
t2.join();
cout << n << endl; //打印n的值
return 0;
}

说明一下:

  • 原子类型通常属于“资源类型”数据,多个线程只能访问单个原子类型的拷贝,因此在C++11中,原子类型只能从其模板参数中进行构造,不允许原子类型进行拷贝构造、移动构造以及​​operator=​​等。
  • 为了防止意外,标准库已经将atomic模板类中的拷贝构造、移动构造、​​operator=​​默认删除掉了。
  • 原子类型不仅仅支持原子的​​++​​​操作,还支持原子的​​--​​、加一个值、减一个值、与、或、异或操作。

条件变量库(condition_variable)

condition_variable中提供的成员函数,可分为wait系列和notify系列两类。

wait系列成员函数

wait系列成员函数的作用就是让调用线程进行阻塞等待,包括​​wait​​​、​​wait_for​​​和​​wait_until​​。

下面先以​​wait​​为例进行介绍,wait函数提供了两个不同版本的接口:

//版本一
void wait(unique_lock<mutex>& lck);
//版本二
template<class Predicate>
void wait(unique_lock<mutex>& lck, Predicate pred);

函数说明:

  • 调用第一个版本的wait函数时只需要传入一个互斥锁,线程调用wait后会立即被阻塞,直到被唤醒。
  • 调用第二个版本的wait函数时除了需要传入一个互斥锁,还需要传入一个返回值类型为bool的可调用对象,与第一个版本的wait不同的是,当线程被唤醒后还需要调用传入的可调用对象,如果可调用对象的返回值为false,那么该线程还需要继续被阻塞。

为什么调用wait系列函数时需要传入一个互斥锁?

  • 因为wait系列函数一般是在临界区中调用的,为了让当前线程调用wait阻塞时其他线程能够获取到锁,因此调用wait系列函数时需要传入一个互斥锁,当线程被阻塞时这个互斥锁会被自动解锁,而当这个线程被唤醒时,又会自动获得这个互斥锁。
  • 因此wait系列函数实际上有两个功能,一个是让线程在条件不满足时进行阻塞等待,另一个是让线程将对应的互斥锁进行解锁。

wait_for和wait_until函数的使用方式与wait函数类似:

  • wait_for函数也提供了两个版本的接口,只不过这两个版本的接口都比wait函数对应的接口多了一个参数,这个参数是一个时间段,表示让线程在该时间段内进行阻塞等待,如果超过这个时间段则线程被自动唤醒。
  • wait_until函数也提供了两个版本的接口,只不过这两个版本的接口都比wait函数对应的接口多了一个参数,这个参数是一个具体的时间点,表示让线程在该时间点之前进行阻塞等待,如果超过这个时间点则线程被自动唤醒。
  • 线程调用wait_for或wait_until函数在阻塞等待期间,其他线程调用notify系列函数也可以将其唤醒。此外,如果调用的是wait_for或wait_until函数的第二个版本的接口,那么当线程被唤醒后还需要调用传入的可调用对象,如果可调用对象的返回值为false,那么当前线程还需要继续被阻塞。

注意: 调用wait系列函数时,传入互斥锁的类型必须是unique_lock。

notify系列成员函数

notify系列成员函数的作用就是唤醒等待的线程,包括​​notify_one​​​和​​notify_all​​。

  • ​notify_one​​:唤醒等待队列中的首个线程,如果等待队列为空则什么也不做。
  • ​notify_all​​:唤醒等待队列中的所有线程,如果等待队列为空则什么也不做。

注意: 条件变量下可能会有多个线程在进行阻塞等待,这些线程会被放到一个等待队列中进行排队。

实现两个线程交替打印1-100

尝试用两个线程交替打印1-100的数字,要求一个线程打印奇数,另一个线程打印偶数,并且打印数字从小到大依次递增。

该题目主要考察的就是线程的同步和互斥。

  • 互斥:两个线程都在向控制台打印数据,为了保证两个线程的打印数据不会相互影响,因此需要对线程的打印过程进行加锁保护。
  • 同步:两个线程必须交替进行打印,因此需要用到条件变量让两个线程进行同步,当一个线程打印完再唤醒另一个线程进行打印。

但如果只有同步和互斥是无法满足题目要求的。

  • 首先,我们无法保证哪一个线程会先进行打印,不能说先创建的线程就一定先打印,后创建的线程先打印也是有可能的。
  • 此外,有可能会出现某个线程连续多次打印的情况,比如线程1先创建并打印了一个数字,当线程1准备打印第二个数字的时候线程2可能还没有创建出来,或是线程2还没有在互斥锁上进行等待,这时线程1就会再次获取到锁进行打印。

鉴于此,这里还需要定义一个flag变量,该变量的初始值设置为true。

  • 假设让线程1打印奇数,线程2打印偶数。那么就让线程1调用wait函数阻塞等待时,传入的可调用对象返回​​flag​​​的值,而让线程2调用wait函数阻塞等待时,传入的可调用对象返回​​!flag​​的值。
  • 由于flag的初始值是true,就算线程2先获取到互斥锁也不能进行打印,因为最开始线程2调用wait函数时,会因为可调用对象的返回值为false而被阻塞,这就保证了线程1一定先进行打印。
  • 为了让两个线程交替进行打印,因此两个线程每次打印后都需要更改flag的值,线程1打印完后将flag的值改为false并唤醒线程2,这时线程2被唤醒时其可调用对象的返回值就变成了true,这时线程2就可以进行打印了。
  • 当线程2打印完后再将flag的值改为true并唤醒线程1,这时线程1就又可以打印了,就算线程2想要连续打印也不行,因为如果线程1不打印,那么线程2的可调用对象的返回值就一直为false,对于线程1也是一样的道理。

代码如下:

int main()
{
int n = 100;
mutex mtx;
condition_variable cv;
bool flag = true;
//奇数
thread t1([&]{
int i = 1;
while (i <= 100)
{
unique_lock<mutex> ul(mtx);
cv.wait(ul, [&flag]()->bool{return flag; }); //等待条件变量满足
cout << this_thread::get_id() << ":" << i << endl;
i += 2;
flag = false;
cv.notify_one(); //唤醒条件变量下等待的一个线程
}
});
//偶数
thread t2([&]{
int j = 2;
while (j <= 100)
{
unique_lock<mutex> ul(mtx);
cv.wait(ul, [&flag]()->bool{return !flag; }); //等待条件变量满足
cout << this_thread::get_id() << ":" << j << endl;
j += 2;
flag = true;
cv.notify_one(); //唤醒条件变量下等待的一个线程
}
});

t1.join();
t2.join();
return 0;
}