C++多线程（一）thread类

与 C++11 多线程相关的头文件地方

C++11 新标准中引入了四个头文件来支持多线程编程，他们分别是<atomic> ,<thread>,<mutex>,<condition_variable>和<future>。

<atomic>：该头文主要声明了两个类, std::atomic 和 std::atomic_flag，另外还声明了一套 C 风格的原子类型和与 C 兼容的原子操作的函数。
<thread>：该头文件主要声明了 std::thread 类，另外 std::this_thread 命名空间也在该头文件中。
<mutex>：该头文件主要声明了与互斥量(mutex)相关的类，包括 std::mutex 系列类，std::lock_guard, std::unique_lock, 以及其他的类型和函数。
<condition_variable>：该头文件主要声明了与条件变量相关的类，包括 std::condition_variable 和 std::condition_variable_any。
<future>：该头文件主要声明了 std::promise, std::package_task 两个 Provider 类，以及 std::future 和 std::shared_future 两个 Future 类，另外还有一些与之相关的类型和函数，std::async() 函数就声明在此头文件中。

#include <iostream>  
#include <thread>  

using namespace std;  

void th_function()  
{  
    std::cout << "hello thread." << std::endl;  
}  

int main(int argc, char *argv[])  
{  
    std::thread t(th_function);  
    t.join();  

    return 0;  
}

std::thread 构造

(1). 默认构造函数，创建一个空的 thread 执行对象。
(2). 初始化构造函数，创建一个 thread对象，该 thread对象可被 joinable，新产生的线程会调用 fn 函数，该函数的参数由 args 给出。
(3). 拷贝构造函数(被禁用)，意味着 thread 不可被拷贝构造。
(4). move 构造函数，move 构造函数，调用成功之后 x 不代表任何 thread 执行对象。
注意：可被 joinable 的 thread 对象必须在他们销毁之前被主线程 join 或者将其设置为 detached.
看一个例子：
这个例子中创建了两个线程，其中一个线程函数带参数，大家仔细分析上面的thread类的构函数,看如何创建线程。

// thread example  
#include <iostream>       // std::cout  
#include <thread>         // std::thread  

void thr_function1()  
{  
    for (int i = 0; i != 10; ++i)  
    {  
        std::cout << "thread 1 print " << i << std::endl;  
    }  
}  

void thr_function2(int n)  
{  
    std::cout << "thread 1 print " << n << std::endl;  
}  

int main()  
{  
    std::thread t1(thr_function1);     // spawn new thread that calls foo()  
    std::thread t2(thr_function2, 111);  // spawn new thread that calls bar(0)  

    std::cout << "main, foo and bar now execute concurrently...\n";  

    // synchronize threads:  
    t1.join();                // pauses until first finishes  
    t2.join();               // pauses until second finishes  

    std::cout << "thread 1 and htread 2 completed.\n";  

    return 0;  
}

大家的输出可能不是这样，有可能是下面这样的，不要紧，因为这个例子中没使用多线程的异步机制，线程之间存在竞争，看稍后文章讲解所以输出可能是下面这样的情况。

三、move 赋值操作

move (1)    
thread& operator= (thread&& rhs) noexcept;


copy [deleted] (2)  
thread& operator= (const thread&) = delete;

(1). move 赋值操作，如果当前对象不可 joinable，需要传递一个右值引用(rhs)给 move 赋值操作；如果当前对象可被 joinable，则 terminate() 报错。
(2). 拷贝赋值操作被禁用，thread 对象不可被拷贝。
看下面的例子。

// example for thread::operator=  
#include <iostream>       // std::cout  
#include <thread>         // std::thread, std::this_thread::sleep_for  
#include <chrono>         // std::chrono::seconds  

void pause_thread(int n)  
{  
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(n));//c++11 this_thread 类  
    std::cout << "pause of " << n << " seconds ended\n";  
}  

int main()  
{  
    std::thread threads[5];                         // default-constructed threads  

    std::cout << "Spawning 5 threads...\n";  
    for (int i = 0; i<5; ++i)  
        threads[i] = std::thread(pause_thread, i + 1);   // move-assign threads 这里调用move复制函数  

    std::cout << "Done spawning threads. Now waiting for them to join:\n";  
    for (int i = 0; i<5; ++i)  
        threads[i].join();  

    std::cout << "All threads joined!\n";  

    return 0;  
}

1、成员类型和成员函数。
2、std::thread 构造函数。
3、异步。
4、多线程传递参数。
5、join、detach。
6、获取CPU核心个数。
7、CPP原子变量与线程安全。
8、lambda与多线程。
9、时间等待相关问题。
10、线程功能拓展。
11、多线程可变参数。
12、线程交换。
13、线程移动。

1、成员类型和成员函数。

2、std::thread 构造函数。

(1).默认构造函数，创建一个空的 thread 执行对象。

(2).初始化构造函数，创建一个 thread 对象，该 thread 对象可被 joinable，新产生的线程会调用 fn 函数，该函数的参数由 args 给出。

(3).拷贝构造函数（被禁用），意味着 thread 不可被拷贝构造。

(4).move 构造函数，move 构造函数，调用成功之后 x 不代表任何 thread 执行对象。

注意：可被 joinable 的 thread 对象必须在他们销毁之前被主线程 join 或者将其设置为 detached。

#include<thread>  
#include<chrono>  
using namespace std;  
void fun1(int n)  //初始化构造函数  
{  
    cout << "Thread " << n << " executing\n";  
    n += 10;  
    this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(10));  
}  
void fun2(int & n) //拷贝构造函数  
{  
    cout << "Thread " << n << " executing\n";  
    n += 20;  
    this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(10));  
}  
int main()  
{  
    int n = 0;  
    thread t1;               //t1不是一个thread  
    thread t2(fun1, n + 1);  //按照值传递  
    t2.join();  
    cout << "n=" << n << '\n';  
    n = 10;  
    thread t3(fun2, ref(n)); //引用  
    thread t4(move(t3));     //t4执行t3，t3不是thread  
    t4.join();  
    cout << "n=" << n << '\n';  
    return 0;  
}  
运行结果:  
Thread 1 executing  
n=0  
Thread 10 executing  
n=30

3、异步

#include<thread>  
using namespace std;  
void show()  
{  
    cout << "hello cplusplus!" << endl;  
}  
int main()  
{  
    //栈上  
    thread t1(show);   //根据函数初始化执行  
    thread t2(show);  
    thread t3(show);  
    //线程数组  
    thread th[3]{thread(show), thread(show), thread(show)};   
    //堆上  
    thread *pt1(new thread(show));  
    thread *pt2(new thread(show));  
    thread *pt3(new thread(show));  
    //线程指针数组  
    thread *pth(new thread[3]{thread(show), thread(show), thread(show)});  
    return 0;  
}

4、多线程传递参数

#include<thread>  
using namespace std;  
void show(const char *str, const int id)  
{  
    cout << "线程 " << id + 1 << " ：" << str << endl;  
}  
int main()  
{  
    thread t1(show, "hello cplusplus!", 0);  
    thread t2(show, "你好，C++！", 1);  
    thread t3(show, "hello!", 2);  
    return 0;  
}  
运行结果：  
线程 1线程 2 ：你好，C++！线程 3 ：hello!  
：hello cplusplus!

5、join、detach

#include<thread>  
#include<array>  
using namespace std;  
void show()  
{  
    cout << "hello cplusplus!" << endl;  
}  
int main()  
{  
    array<thread, 3>  threads = { thread(show), thread(show), thread(show) };  
    for (int i = 0; i < 3; i++)  
    {  
        cout << threads[i].joinable() << endl;//判断线程是否可以join  
        threads[i].join();//主线程等待当前线程执行完成再退出  
    }  
    return 0;  
}  
运行结果:  
hello cplusplus!  
hello cplusplus!  
1  
hello cplusplus!  
1  
1

总结：
join 是让当前主线程等待所有的子线程执行完，才能退出。
detach例子如下：

#include<thread>  
using namespace std;  
void show()  
{  
    cout << "hello cplusplus!" << endl;  
}  
int main()  
{  
    thread th(show);  
    //th.join();   
    th.detach();//脱离主线程的绑定，主线程挂了，子线程不报错，子线程执行完自动退出。  
    //detach以后，子线程会成为孤儿线程，线程之间将无法通信。  
    cout << th.joinable() << endl;  
    return 0;  
}  
运行结果:  
hello cplusplus!

结论：
线程 detach 脱离主线程的绑定，主线程挂了，子线程不报错，子线程执行完自动退出。
线程 detach以后，子线程会成为孤儿线程，线程之间将无法通信。

6、获取CPU核心个数。

例如：

#include<thread>  
using namespace std;  
int main()  
{  
    auto n = thread::hardware_concurrency();//获取cpu核心个数  
    cout << n << endl;  
    return 0;  
}  
运行结果:  
8

结论：
通过 thread::hardware_concurrency() 获取 CPU 核心的个数。

7、CPP原子变量与线程安全

问题例如：

**#include<thread>  
using namespace std;  
const int N = 100000000;  
int num = 0;  
void run()  
{  
    for (int i = 0; i < N; i++)  
    {  
        num++;  
    }  
}  
int main()  
{  
    clock_t start = clock();  
    thread t1(run);  
    thread t2(run);  
    t1.join();  
    t2.join();  
    clock_t end = clock();  
    cout << "num=" << num << ",用时 " << end - start << " ms" << endl;  
    return 0;  
}  
运行结果:  
num=143653419,用时 730 ms

从上述代码执行的结果，发现结果并不是我们预计的200000000，这是由于线程之间发生冲突，从而导致结果不正确。
为了解决此问题，有以下方法：
（1）互斥量。
例如：

#include<thread>  
#include<mutex>  
using namespace std;  
const int N = 100000000;  
int num(0);  
mutex m;  
void run()  
{  
    for (int i = 0; i < N; i++)  
    {  
        m.lock();  
        num++;  
        m.unlock();  
    }  
}  
int main()  
{  
    clock_t start = clock();  
    thread t1(run);  
    thread t2(run);  
    t1.join();  
    t2.join();  
    clock_t end = clock();  
    cout << "num=" << num << ",用时 " << end - start << " ms" << endl;  
    return 0;  
}  
运行结果：  
num=200000000,用时 128323 ms

不难发现，通过互斥量后运算结果正确，但是计算速度很慢，原因主要是互斥量加解锁需要时间。
互斥量详细内容 请参考下篇文章C++11 并发之std::mutex。
（2）原子变量。
例如：

#include<thread>  
#include<atomic>  
using namespace std;  
const int N = 100000000;  
atomic_int num{ 0 };//不会发生线程冲突，线程安全  
void run()  
{  
    for (int i = 0; i < N; i++)  
    {  
        num++;  
    }  
}  
int main()  
{  
    clock_t start = clock();  
    thread t1(run);  
    thread t2(run);  
    t1.join();  
    t2.join();  
    clock_t end = clock();  
    cout << "num=" << num << ",用时 " << end - start << " ms" << endl;  
    return 0;  
}  
运行结果:  
num=200000000,用时 29732 ms

不难发现，通过原子变量后运算结果正确，计算速度一般。
原子变量详细内容 请参考C++11 并发之std::atomic。
（3）加入 join 。
例如：

#include<thread>  
using namespace std;  
const int N = 100000000;  
int num = 0;  
void run()  
{  
    for (int i = 0; i < N; i++)  
    {  
        num++;  
    }  
}  
int main()  
{  
    clock_t start = clock();  
    thread t1(run);  
    t1.join();  
    thread t2(run);  
    t2.join();  
    clock_t end = clock();  
    cout << "num=" << num << ",用时 " << end - start << " ms" << endl;  
    return 0;  
}  
运行结果：  
num=200000000,用时 626 ms

不难发现，通过原子变量后运算结果正确，计算速度也很理想。

8、lambda与多线程。
例如：

#include<thread>  
using namespace std;  
int main()  
{  
    auto fun = [](const char *str) {cout << str << endl; };  
    thread t1(fun, "hello world!");  
    thread t2(fun, "hello beijing!");  
    return 0;  
}  
运行结果：  
hello world!  
hello beijing

9、时间等待相关问题。
例如：

#include<thread>  
#include<chrono>  
using namespace std;  
int main()  
{  
    thread th1([]()  
    {  
        //让线程等待3秒  
        this_thread::sleep_for(chrono::seconds(3));  
        //让cpu执行其他空闲的线程  
        this_thread::yield();  
        //线程id  
        cout << this_thread::get_id() << endl;  
    });  
    return 0;  
}

10、线程功能拓展。

例如：

#include<thread>  
using namespace std;  
class MyThread :public thread   //继承thread  
{  
public:  
    //子类MyThread()继承thread()的构造函数  
    MyThread() : thread()  
    {  
    }  
    //MyThread()初始化构造函数  
    template<typename T, typename...Args>  
    MyThread(T&&func, Args&&...args) : thread(forward<T>(func), forward<Args>(args)...)  
    {  
    }  
    void showcmd(const char *str)  //运行system  
    {  
        system(str);  
    }  
};  
int main()  
{  
    MyThread th1([]()  
    {  
        cout << "hello" << endl;  
    });  
    th1.showcmd("calc"); //运行calc  
    //lambda  
    MyThread th2([](const char * str)  
    {  
        cout << "hello" << str << endl;  
    }, " this is MyThread");  
    th2.showcmd("notepad");//运行notepad  
    return 0;  
}  
运行结果:  
hello  
//运行calc  
hello this is MyThread  
//运行notepad

11、多线程可变参数

例如：

#include<thread>  
#include<cstdarg>  
using namespace std;  
int show(const char *fun, ...)  
{  
    va_list ap;//指针  
    va_start(ap, fun);//开始  
    vprintf(fun, ap);//调用  
    va_end(ap);  
    return 0;  
}  
int main()  
{  
    thread t1(show, "%s    %d    %c    %f", "hello world!", 100, 'A', 3.14159);  
    return 0;  
}  
运行结果：  
hello world!    100    A    3.14159

12、线程交换。
例如：

#include<thread>  
using namespace std;  
int main()  
{  
    thread t1([]()  
    {  
        cout << "thread1" << endl;  
    });  
    thread t2([]()  
    {  
        cout << "thread2" << endl;  
    });  
    cout << "thread1' id is " << t1.get_id() << endl;  
    cout << "thread2' id is " << t2.get_id() << endl;  

    cout << "swap after:" << endl;  
    swap(t1, t2);//线程交换  
    cout << "thread1' id is " << t1.get_id() << endl;  
    cout << "thread2' id is " << t2.get_id() << endl;  
    return 0;  
}  
运行结果:  
thread1  
thread2  
thread1' id is 4836  
thread2' id is 4724  
swap after:  
thread1' id is 4724  
thread2' id is 4836

两个线程通过 swap 进行交换。

13、线程移动

例如：

#include<thread>  
using namespace std;  
int main()  
{  
    thread t1([]()  
    {  
        cout << "thread1" << endl;  
    });  
    cout << "thread1' id is " << t1.get_id() << endl;  
    thread t2 = move(t1);;  
    cout << "thread2' id is " << t2.get_id() << endl;  
    return 0;  
}  
运行结果:  
thread1  
thread1' id is 5620  
thread2' id is 5620

从上述代码中，线程t2可以通过 move 移动 t1 来获取 t1 的全部属性，而 t1 却销毁了。