C++11多线程编程

Linux 程序员都用过 pthread, 但有了 C++11 的 std::thread 以后，你可以在语言层面编写多线程程序了，直接的好处就是多线程程序的可移植性得到了很大的提高。

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。

一.thread

下面是一个最简单的使用 std::thread 类的例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

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

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

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

    return EXIT_SUCCESS;
}

编译：g++ -pthread -std=c++11 thread.cpp

二.mutex

mutex 又称互斥量，C++ 11中与 mutex 相关的类（包括锁类型）和函数都声明在 <mutex> 头文件中，所以如果你需要使用 std::mutex，就必须包含 <mutex> 头文件。
Mutex 系列类(四种)
• std::mutex，最基本的 Mutex 类。
• std::recursive_mutex，递归 Mutex 类。
• std::time_mutex，定时 Mutex 类。
• std::recursive_timed_mutex，定时递归 Mutex 类。

Lock 类（两种）
• std::lock_guard，与 Mutex RAII 相关，方便线程对互斥量上锁。
• std::unique_lock，与 Mutex RAII 相关，方便线程对互斥量上锁，但提供了更好的上锁和解锁控制。

函数
• std::try_lock，尝试同时对多个互斥量上锁。
• std::lock，可以同时对多个互斥量上锁。
• std::call_once，如果多个线程需要同时调用某个函数，call_once 可以保证多个线程对该函数只调用一次。

std::mutex 是C++11 中最基本的互斥量，std::mutex 对象提供了独占所有权的特性——即不支持递归地对 std::mutex 对象上锁，而 std::recursive_lock 则可以递归地对互斥量对象上锁。

std::mutex 的成员函数
• 构造函数，std::mutex不允许拷贝构造，也不允许 move 拷贝，最初产生的 mutex 对象是处于 unlocked 状态的。
• lock()，调用线程将锁住该互斥量。线程调用该函数会发生下面 3 种情况：(1). 如果该互斥量当前没有被锁住，则调用线程将该互斥量锁住，直到调用 unlock之前，该线程一直拥有该锁。(2). 如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前的调用线程被阻塞住。(3). 如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。
• unlock()， 解锁，释放对互斥量的所有权。
• try_lock()，尝试锁住互斥量，如果互斥量被其他线程占有，则当前线程也不会被阻塞。线程调用该函数也会出现下面 3 种情况，(1). 如果当前互斥量没有被其他线程占有，则该线程锁住互斥量，直到该线程调用 unlock 释放互斥量。(2). 如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前调用线程返回 false，而并不会被阻塞掉。(3). 如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。

（1）下面给出一个与 std::mutex 的小例子：

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

volatile int counter(0); // non-atomic counter
std::mutex mtx;           // locks access to counter

void attempt_10k_increases() {
    for (int i=0; i<5; ++i) {
        if (mtx.try_lock()) {   // only increase if currently not locked:
            std::cout << ++counter << std::endl;
            mtx.unlock();
        }
    }
}

int main (int argc, const char* argv[]) {
    std::thread threads[3];
    for (int i=0; i<3; ++i) {
        threads[i] = std::thread(attempt_10k_increases);
    }

    for (auto& th : threads) {
    	th.join();
    }
    std::cout << counter << " successful increases of the counter.n";
    return 0;
}

编译：g++ -pthread -std=c++11 mutex.cpp
运行结果：

    1
    2
    3
    4
    5
successful increases of the counter.

（2）std::recursive_mutex 介绍
std::recursive_mutex 与 std::mutex 一样，也是一种可以被上锁的对象，但是和 std::mutex 不同的是，std::recursive_mutex 允许同一个线程对互斥量多次上锁（即递归上锁），来获得对互斥量对象的多层所有权，std::recursive_mutex 释放互斥量时需要调用与该锁层次深度相同次数的 unlock()，可理解为 lock() 次数和 unlock() 次数相同，除此之外，std::recursive_mutex 的特性和 std::mutex 大致相同。

（3）std::time_mutex 介绍
std::time_mutex 比 std::mutex 多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until()。

try_lock_for 函数接受一个时间范围，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（与 std::mutex 的 try_lock() 不同，try_lock 如果被调用时没有获得锁则直接返回 false），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（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。
try_lock_until 函数则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（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。

三.future

<future> 头文件中包含了以下几个类和函数：
• Providers 类：std::promise, std::package_task
• Futures 类：std::future, shared_future.
• Providers 函数：std::async()
• 其他类型：std::future_error, std::future_errc, std::future_status, std::launch.

（1）std::future
简单来说，std::future提供了一种访问异步操作结果的机制。
从字面意思看，它表示未来。通常一个异步操作我们是不能马上就获取操作结果的，只能在未来某个时候获取。我们可以以同步等待的方式来获取结果，可以通过查询future的状态（future_status）来获取异步操作的结果。future_status有三种状态：
deferred：异步操作还没开始
ready：异步操作已经完成
timeout：异步操作超时
获取future结果有三种方式：get、wait、wait_for，其中get等待异步操作结束并返回结果，wait只是等待异步操作完成，没有返回值，wait_for是超时等待返回结果。

（2）std::promise 类介绍
promise 对象可以保存某一类型 T 的值，该值可被 future 对象读取（可能在另外一个线程中），因此 promise 也提供了一种线程同步的手段。在 promise 对象构造时可以和一个共享状态（通常是std::future）相关联，并可以在相关联的共享状态(std::future)上保存一个类型为 T 的值。

Promise的作用是：在一个线程t1中保存一个类型typename T的值，可供相绑定的std::future对象在另一线程t2中获取。

可以通过 get_future 来获取与该 promise 对象相关联的 future 对象，调用该函数之后，两个对象共享相同的共享状态(shared state)。

• promise 对象是异步 Provider，它可以在某一时刻设置共享状态的值。
• future 对象可以异步返回共享状态的值，或者在必要的情况下阻塞调用者并等待共享状态标志变为 ready，然后才能获取共享状态的值。

下面有个例子来说明promise的作用

#include <iostream>
#include <future>
#include <chrono>
 
void Thread_Fun1(std::promise<int> &p)
{
	//为了突出效果，可以使线程休眠1s
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
 
	int iVal = 233;
	std::cout << "传入数据(int)：" << iVal << std::endl;
 
	//传入数据iVal
	p.set_value(iVal);
}
 
void Thread_Fun2(std::future<int> &f)
{
	//阻塞函数，直到收到相关联的std::promise对象传入的数据
	auto iVal = f.get();		//iVal = 233
 
	std::cout << "收到数据(int)：" << iVal << std::endl;
}
 
int main()
{
	//声明一个std::promise对象pr1，其保存的值类型为int
	std::promise<int> pr1;
	//声明一个std::future对象fu1，并通过std::promise的get_future()函数与pr1绑定
	std::future<int> fu1 = pr1.get_future();
 
	//创建一个线程t1，将函数Thread_Fun1及对象pr1放在线程里面执行
	std::thread t1(Thread_Fun1, std::ref(pr1));
	//创建一个线程t2，将函数Thread_Fun2及对象fu1放在线程里面执行
	std::thread t2(Thread_Fun2, std::ref(fu1));
 
	//阻塞至线程结束
	t1.join();
	t2.join();
 
	return 1;
}

std::promise 的 operator= 没有拷贝语义，即 std::promise 普通的赋值操作被禁用，operator= 只有 move 语义，所以 std::promise 对象是禁止拷贝的。

最后

以上就是想人陪白云为你收集整理的C++11多线程编程的全部内容，希望文章能够帮你解决C++11多线程编程所遇到的程序开发问题。

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