学点 C++11 并发编程-轻识

c++11关于并发引入了好多好东西，这里按照如下顺序介绍：

std::thread 相关
std::mutex 相关
std::lock 相关
std::atomic 相关
std::call_once 相关
volatile 相关
std::condition_variable 相关
std::future 相关
async 相关

std::thread 相关

c++11之前你可能使用 pthread_xxx 来创建线程，繁琐且不易读，c++11 引入了 std::thread 来创建线程，支持对线程 join 或者 detach 。直接看代码：

#include 
#include 

using namespace std;

int main() {
   auto func = []() {
       for (int i = 0; i < 10; ++i) {
           cout << i << " ";
      }
       cout << endl;
  };
   std::thread t(func);
   if (t.joinable()) {
       t.detach();
  }
   auto func1 = [](int k) {
       for (int i = 0; i < k; ++i) {
           cout << i << " ";
      }
       cout << endl;
  };
   std::thread tt(func1, 20);
   if (tt.joinable()) { // 检查线程可否被join
       tt.join();
  }
   return 0;
}

上述代码中，函数 func 和 func1 运行在线程对象 t 和 tt 中，从刚创建对象开始就会新建一个线程用于执行函数，调用 join 函数将会阻塞主线程，直到线程函数执行结束，线程函数的返回值将会被忽略。

如果不希望线程被阻塞执行，可以调用线程对象的detach函数，表示将线程和线程对象分离。

如果没有调用 join 或者 detach 函数，假如线程函数执行时间较长，此时线程对象的生命周期结束调用析构函数清理资源，这时可能会发生错误。

这里有两种解决办法，一个是调用join()，保证线程函数的生命周期和线程对象的生命周期相同，另一个是调用detach()，将线程和线程对象分离。

这里需要注意，如果线程已经和对象分离，那我们就再也无法控制线程什么时候结束了，不能再通过join来等待线程执行完。

这里可以对thread进行封装，避免没有调用join或者detach可导致程序出错的情况出现：

class ThreadGuard {
  public:
   enum class DesAction { join, detach };

   ThreadGuard(std::thread&& t, DesAction a) : t_(std::move(t)), action_(a){};

   ~ThreadGuard() {
       if (t_.joinable()) {
           if (action_ == DesAction::join) {
               t_.join();
          } else {
               t_.detach();
          }
  }
  }

   ThreadGuard(ThreadGuard&&) = default;
   ThreadGuard& operator=(ThreadGuard&&) = default;

   std::thread& get() { return t_; }

  private:
   std::thread t_;
   DesAction action_;
};

int main() {
   ThreadGuard t(std::thread([]() {
       for (int i = 0; i < 10; ++i) {
           std::cout << "thread guard " << i << " ";
      }
       std::cout << std::endl;}), ThreadGuard::DesAction::join);
   return 0;
}

c++11还提供了获取线程id，或者系统cpu个数，获取thread native_handle，使得线程休眠等功能。

std::thread t(func);
cout << "当前线程ID " << t.get_id() << endl;
cout << "当前cpu个数 " << std::thread::hardware_concurrency() << endl;
auto handle = t.native_handle();// handle可用于pthread相关操作
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

std::mutex 相关

std::mutex 是一种线程同步的手段，用于保存多线程同时操作的共享数据。

mutex 分为四种：

std::mutex：独占的互斥量，不能递归使用，不带超时功能；
std::recursive_mutex：递归互斥量，可重入，不带超时功能；
std::timed_mutex：带超时的互斥量，不能递归；
std::recursive_timed_mutex：带超时的互斥量，可以递归使。

拿一个 std::mutex 和 std::timed_mutex 举例吧，别的都是类似的使用方式：

std::mutex:

#include 
#include 
#include 

using namespace std;
std::mutex mutex_;

int main() {
   auto func1 = [](int k) {
       mutex_.lock();
       for (int i = 0; i < k; ++i) {
           cout << i << " ";
      }
       cout << endl;
       mutex_.unlock();
  };
   std::thread threads[5];
   for (int i = 0; i < 5; ++i) {
       threads[i] = std::thread(func1, 200);
  }
   for (auto& th : threads) {
       th.join();
  }
   return 0;
}

std::timed_mutex:

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;
std::timed_mutex timed_mutex_;

int main() {
   auto func1 = [](int k) {
       timed_mutex_.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200));
       for (int i = 0; i < k; ++i) {
           cout << i << " ";
      }
       cout << endl;
       timed_mutex_.unlock();
  };
   std::thread threads[5];
   for (int i = 0; i < 5; ++i) {
       threads[i] = std::thread(func1, 200);
  }
   for (auto& th : threads) {
       th.join();
  }
   return 0;
}

std::lock 相关

这里主要介绍两种RAII方式的锁封装，可以动态的释放锁资源，防止线程由于编码失误导致一直持有锁。

c++11主要有 std::lock_guard 和 std::unique_lock 两种方式，使用方式都类似，如下：

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;
std::mutex mutex_;

int main() {
   auto func1 = [](int k) {
       // std::lock_guard lock(mutex_);
       std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
       for (int i = 0; i < k; ++i) {
           cout << i << " ";
      }
       cout << endl;
  };
   std::thread threads[5];
   for (int i = 0; i < 5; ++i) {
       threads[i] = std::thread(func1, 200);
  }
   for (auto& th : threads) {
       th.join();
  }
   return 0;
}

std::lock_gurad 相比于 std::unique_lock 更加轻量级，少了一些成员函数，std::unique_lock 类有 unlock 函数，可以手动释放锁，所以条件变量都配合 std::unique_lock 使用，而不是 std::lock_guard 。

因为条件变量在 wait 时需要有手动释放锁的能力，具体关于条件变量后面会讲到。

std::atomic 相关

c++11 提供了原子类型 std::atomic，理论上这个 T 可以是任意类型，但是我平时只存放整形，别的还真的没用过，整形有这种原子变量已经足够方便，就不需要使用 std::mutex 来保护该变量啦。看一个计数器的代码：

struct OriginCounter { // 普通的计数器
   int count;
   std::mutex mutex_;
   void add() {
       std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
       ++count;
  }

   void sub() {
       std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
       --count;
  }

   int get() {
       std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
       return count;
  }
};

struct NewCounter { // 使用原子变量的计数器
   std::atomic<int> count;
   void add() {
       ++count;
       // count.store(++count);这种方式也可以
  }

   void sub() {
       --count;
       // count.store(--count);
  }

   int get() {
       return count.load();
  }
}

是不是使用原子变量更加方便了呢？

std::call_once 相关

c++11 提供了 std::call_once 来保证某一函数在多线程环境中只调用一次，它需要配合std::once_flag 使用，直接看使用代码：

std::once_flag onceflag;

void CallOnce() {
   std::call_once(onceflag, []() {
       cout << "call once" << endl;
  });
}

int main() {
   std::thread threads[5];
   for (int i = 0; i < 5; ++i) {
       threads[i] = std::thread(CallOnce);
  }
   for (auto& th : threads) {
       th.join();
  }
   return 0;
}

std::volatile 相关

貌似把 volatile 放在并发里介绍不太合适，但是貌似很多人都会把 volatile 和多线程联系在一起，那就一起介绍下吧。

volatile 通常用来建立内存屏障，volatile 修饰的变量，编译器对访问该变量的代码通常不再进行优化，看下面代码：

int *p = xxx;
int a = *p;
int b = *p;

a 和 b 都等于 p 指向的值，一般编译器会对此做优化，把 *p 的值放入寄存器，就是传说中的工作内存(不是主内存)，之后 a 和 b 都等于寄存器的值。

但是如果中间 p 地址的值改变，内存上的值改变啦，但 a, b 还是从寄存器中取的值(不一定，看编译器优化结果)，这就不符合需求，所以在此对 p 加 volatile 修饰可以避免进行此类优化。

注意：volatile不能解决多线程安全问题，针对特种内存才需要使用volatile，它和atomic的特点如下：

• std::atomic用于多线程访问的数据，且不用互斥量，用于并发编程中

• volatile用于读写操作不可以被优化掉的内存，用于特种内存中

std::condition_variable 相关

条件变量是 c++11 引入的一种同步机制，它可以阻塞一个线程或者个线程，直到有线程通知或者超时才会唤醒正在阻塞的线程，条件变量需要和锁配合使用，这里的锁就是上面介绍的std::unique_lock。

这里使用条件变量实现一个 CountDownLatch ：

class CountDownLatch {
   public:
    explicit CountDownLatch(uint32_t count) : count_(count);

    void CountDown() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        --count_;
        if (count_ == 0) {
            cv_.notify_all();
        }
    }

    void Await(uint32_t time_ms = 0) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        while (count_ > 0) {
            if (time_ms > 0) {
                cv_.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(time_ms));
            } else {
                cv_.wait(lock);
            }
        }
    }

    uint32_t GetCount() const {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
      return count_;
    }

   private:
    std::condition_variable cv_;
    mutable std::mutex mutex_;
    uint32_t count_ = 0;
}

关于条件变量其实还涉及到通知丢失和虚假唤醒问题，因为不是本文的主题，这里暂不介绍，大家有需要可以留言。

std::future 相关

c++11关于异步操作提供了future相关的类，主要有 std::future、std::promise 和std::packaged_task ，std::future比std::thread 高级些，std::future 作为异步结果的传输通道，通过 get() 可以很方便的获取线程函数的返回值。

std::promise 用来包装一个值，将数据和 future 绑定起来，而 std::packaged_task 则用来包装一个调用对象，将函数和 future 绑定起来，方便异步调用。而 std::future 是不可以复制的，如果需要复制放到容器中可以使用 std::shared_future 。

std::promise与std::future配合使用

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;


void func(std::future<int>& fut) {
    int x = fut.get();
    cout << "value: " << x << endl;
}

int main() {
    std::promise<int> prom;
    std::future<int> fut = prom.get_future();
    std::thread t(func, std::ref(fut));
    prom.set_value(144);
    t.join();
    return 0;
}

std::packaged_task 与 std::future 配合使用

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

int func(int in) {
    return in + 1;
}

int main() {
    std::packaged_task<int(int)> task(func);
    std::future<int> fut = task.get_future();
    std::thread(std::move(task), 5).detach();
    cout << "result " << fut.get() << endl;
    return 0;
}

更多关于future的使用可以看我之前写的关于线程池和定时器的文章。

三者之间的关系

std::future 用于访问异步操作的结果，而 std::promise 和 std::packaged_task 在 future 高一层，它们内部都有一个 future，promise 包装的是一个值，packaged_task 包装的是一个函数。

当需要获取线程中的某个值，可以使用std::promise，当需要获取线程函数返回值，可以使用std::packaged_task。

async 相关

async 是比 future，packaged_task，promise 更高级的东西，它是基于任务的异步操作，通过async 可以直接创建异步的任务，返回的结果会保存在 future 中。

不需要像 packaged_task 和 promise 那么麻烦，关于线程操作应该优先使用 async，看一段使用代码：

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

int func(int in) { return in + 1; }

int main() {
    auto res = std::async(func, 5);
    // res.wait();
    cout << res.get() << endl; // 阻塞直到函数返回
    return 0;
}

使用 async 异步执行函数是不是方便多啦。

async具体语法如下：

async(std::launch::async | std::launch::deferred, func, args...);

第一个参数是创建策略：

std::launch::async 表示任务执行在另一线程；
std::launch::deferred 表示延迟执行任务，调用 get 或者 wait 时才会执行，不会创建线程，惰性执行在当前线程。

如果不明确指定创建策略，以上两个都不是 async 的默认策略，而是未定义，它是一个基于任务的程序设计，内部有一个调度器(线程池)，会根据实际情况决定采用哪种策略。

若从 std::async 获得的 std::future 未被移动或绑定到引用，则在完整表达式结尾， std::future的析构函数将阻塞直至异步计算完成，实际上相当于同步操作：

std::async(std::launch::async, []{ f(); }); // 临时量的析构函数等待 f()
std::async(std::launch::async, []{ g(); }); // f() 完成前不开始

注意：关于async启动策略这里网上和各种书籍介绍的五花八门，这里会以cppreference为主。

• 有时候我们如果想真正执行异步操作可以对async进行封装，强制使用std::launch::async策略来调用async。

template <typename F, typename... Args>
inline auto ReallyAsync(F&& f, Args&&... params) {
    return std::async(std::launch::async, std::forward(f), std::forward(params)...);
}

总结

• std::thread使线程的创建变得非常简单，还可以获取线程id等信息。

• std::mutex通过多种方式保证了线程安全，互斥量可以独占，也可以重入，还可以设置互斥量的超时时间，避免一直阻塞等锁。

• std::lock通过RAII技术方便了加锁和解锁调用，有std::lock_guard和std::unique_lock。

• std::atomic提供了原子变量，更方便实现实现保护，不需要使用互斥量

• std::call_once保证函数在多线程环境下只调用一次，可用于实现单例。

• volatile常用于读写操作不可以被优化掉的内存中。

• std::condition_variable提供等待的同步机制，可阻塞一个或多个线程，等待其它线程通知后唤醒。

• std::future用于异步调用的包装和返回值。

• async更方便的实现了异步调用，异步调用优先使用async取代创建线程。

参考资料

https://blog.csdn.net/zhangzq86/article/details/70623394

https://zh.cppreference.com/w/cpp/atomic/atomic

https://zhuanlan.zhihu.com/p/33074506

https://www.runoob.com/w3cnote/c-volatile-keyword.html

https://zh.cppreference.com/w/cpp/thread/async

《深入应用c++11:代码优化与工程级应用》

《Effective Modern C++》