【C++】线程库

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前言

C++11标准引入了线程库，通过其可以在C++程序中方便地创建和管理线程。以下是一些常用的线程库组件：

std::thread：std::thread类用于表示一个线程，通过其构造函数可以传入一个可调用对象（函数或者lambda表达式）作为线程的入口点，然后调用join()或detach()来等待线程结束或者将线程分离。
std::mutex：std::mutex类用于实现互斥锁，防止多个线程同时访问共享资源导致数据竞争。可以通过std::lock_guard或std::unique_lock来管理std::mutex的锁定和解锁。
std::condition_variable：std::condition_variable类用于线程间的条件变量通信，一个线程可以等待另一个线程满足特定条件后再继续执行。
std::atomic：std::atomic模板类提供了原子操作，确保在多线程环境下对共享变量的操作是原子的，避免竞态条件。
std::future 和 std::promise：std::future和std::promise用于在线程间传递异步操作的结果。std::promise用于设置值，而std::future用于获取这个值。

这些组件提供了丰富的功能，使得在C++程序中使用多线程变得更加容易和安全。

👉🏻thread

std::thread 是 C++11 标准库中用于创建和管理线程的类。下面是 std::thread 类中一些重要的接口函数：

构造函数：
- explicit thread(Args&&... args);：接受线程函数参数，并在构造函数中启动新线程。
成员函数：
- void join();：等待线程结束，阻塞当前线程直到被调用的线程执行完毕。
- bool joinable() const noexcept;：检查线程是否可加入（joinable），即线程对象是否与实际的线程相关联。
- void detach();：分离线程，允许线程在后台继续执行，线程结束时自动释放资源。
- std::thread::id get_id() const noexcept;：获取线程的唯一标识符。
- static unsigned int hardware_concurrency() noexcept;：获取当前系统支持的并发线程数。
静态成员函数：
- static void yield();：提示调度器放弃当前时间片，允许其他线程执行。
- static void sleep_for(const std::chrono::duration& rel_time);：使当前线程休眠一段时间。
- static void sleep_until(const std::chrono::time_point& abs_time);：使当前线程休眠直到指定的时间点。

这些是 std::thread 类中最常用的接口函数，可以帮助你创建、管理和操作线程。当使用 std::thread 时，确保理解这些函数的作用和用法，以便有效地编写多线程程序。

成员函数

join() 函数：

函数原型：
```
void join();
```
参数意义：join() 函数没有参数。
返回值：void

示例代码：

#include <iostream>
#include <thread>

void threadFunction() {
    std::cout << "Thread running\n";
}

int main() {
    std::thread t(threadFunction);
    t.join(); // 等待线程执行完毕
    std::cout << "Main thread\n";
    return 0;
}

在上面的示例中，join() 函数会阻塞主线程，直到线程 t 执行完毕后才继续执行主线程。

joinable()函数

函数原型：
```
bool joinable() const noexcept;
```
参数意义：joinable() 函数没有参数。
返回值：bool，如果线程对象与实际线程相关联，则返回 true；否则返回 false。

示例代码：

#include <iostream>
#include <thread>

int main() {
    std::thread t;
    std::cout << "Is thread joinable? " << (t.joinable() ? "Yes" : "No") << std::endl;
    
    t = std::thread([](){
        std::cout << "Thread running\n";
    });
    
    std::cout << "Is thread joinable? " << (t.joinable() ? "Yes" : "No") << std::endl;
    
    t.join();
    std::cout << "Is thread joinable? " << (t.joinable() ? "Yes" : "No") << std::endl;
    
    return 0;
}

在这个示例中，先输出 No，表示初始时线程 t 不可加入；然后创建线程并输出 Yes；最后再次输出 No，表示线程在调用 join() 后不可再次加入。

detach函数

函数原型：
```
void detach();
```
参数意义：detach() 函数没有参数。
返回值：void

示例代码：

#include <iostream>
#include <thread>

void threadFunction() {
    std::cout << "Thread running\n";
}

int main() {
    std::thread t(threadFunction);
    t.detach(); // 分离线程
    // 注意：分离后不能再调用join()，否则会导致程序终止
    
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 等待子线程执行完毕（非最佳做法）
    
    std::cout << "Main thread\n";
    return 0;
}

在这个示例中，线程 t 被分离后，主线程不再等待其执行完毕，而是继续执行后续代码。

get_id()函数

函数原型：

std::thread::id get_id() const noexcept;

参数意义：get_id() 函数没有参数。
返回值：std::thread::id，表示线程的唯一标识符。

示例代码：

#include <iostream>
#include <thread>

int main() {
    std::thread t([]{
        std::cout << "Thread ID: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    });
    
    std::cout << "Main thread ID: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    
    t.join();
    return 0;
}

这个示例演示了如何使用 get_id() 函数获取线程的唯一标识符，并输出主线程和子线程的 ID。

静态成员函数

std::this_thread::yield()函数

函数原型：
```
void yield();
```
参数意义：yield() 函数没有参数。
返回值：void
功能：yield() 函数会将当前线程放弃处理器，以便其他线程有机会执行。调用此函数会暗示操作系统调度器立即切换到另一个可运行的线程。

示例代码：

#include <iostream>
#include <thread>

void threadFunction() {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "Thread running\n";
        std::this_thread::yield(); // 放弃处理器
    }
}

int main() {
    std::thread t(threadFunction);
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "Main thread\n";
        std::this_thread::yield(); // 放弃处理器
    }
    t.join();
    return 0;
}

在这个示例中，yield() 函数被用来让出处理器，使得线程间能够交替执行。

std::this_thread::sleep_for()函数

函数原型：

template< class Rep, class Period >
void sleep_for( const std::chrono::duration<Rep,Period>& sleep_duration );

参数意义：sleep_duration 表示休眠的时间段，可以是 std::chrono::milliseconds, std::chrono::seconds 等类型。
返回值：void
功能：sleep_for() 函数会使当前线程休眠指定的时间段。

示例代码：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>

int main() {
    std::cout << "Main thread starts sleeping\n";
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3)); // 休眠3秒
    std::cout << "Main thread wakes up\n";
    return 0;
}

在这个示例中，主线程调用 sleep_for() 函数休眠3秒后再继续执行。

std::this_thread::sleep_until()函数

函数原型：

template< class Clock, class Duration >
void sleep_until( const std::chrono::time_point<Clock,Duration>& sleep_time );

参数意义：sleep_time 表示将要休眠到的时间点，通常通过 std::chrono::system_clock::now() + duration 来计算。
返回值：void
功能：sleep_until() 函数会使当前线程休眠直到指定的时间点。

示例代码：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>

int main() {
    auto wakeUpTime = std::chrono::system_clock::now() + std::chrono::seconds(5);
    std::cout << "Main thread starts sleeping\n";
    std::this_thread::sleep_until(wakeUpTime); // 休眠直到指定时间点
    std::cout << "Main thread wakes up\n";
    return 0;
}

在这个示例中，主线程调用 sleep_until() 函数休眠直到指定的时间点后再继续执行。

为什么thread的传参里面如果想传引用一定要用std::ref？

在C++中，std::ref是用于包装引用的模板函数，它位于<functional>头文件中。当你需要将一个引用传递给函数或者线程时，有时候需要使用std::ref来确保正确的引用传递语义。

通常情况下，当你将一个变量作为参数传递给函数或者线程时，会发生值复制。但是有时候你希望传递的实际上是引用本身，而不是引用指向的值。这时就可以使用std::ref来包装引用，以便进行正确的引用传递。

举个例子，假设有一个函数void func(int& val)接受一个整型引用作为参数，如果你想在创建线程时将某个整型变量x的引用传递给这个函数，可以这样做：

int x = 42;
std::thread t(func, std::ref(x));

在这个例子中，std::ref(x)将x的引用包装起来，然后将这个包装后的引用传递给func函数，确保了在新线程中对x的引用传递。

介绍完ref后，我们来回答开始的问题：

在C++中，当你创建线程时，传递参数给线程的方式是通过复制参数值来实现的。如果你想传递引用而不是值，直接将引用传递给std::thread是不安全的，因为线程的执行可能会在原始变量（引用指向的对象）被销毁之后才开始，导致悬空引用或者未定义行为。

使用std::ref包装引用的原因在于它可以延长被引用对象的生命周期。std::ref返回一个std::reference_wrapper对象，该对象在复制时只是简单地复制了引用，而不是引用指向的内容。这样可以确保被引用对象在线程执行期间保持有效，并在线程完成后才会被销毁。

因此，为了避免悬空引用或者未定义行为，当你想要在线程中传递引用时，必须使用std::ref或者std::cref来保证被引用对象的有效性，从而确保线程安全地访问被引用的对象。

👉🏻mutex

基本接口函数

当涉及到多线程编程时，std::mutex 是一个常用的互斥量类，用于保护共享资源，避免多个线程同时访问导致数据竞争。以下是 std::mutex 类提供的一些主要接口函数：

std::mutex 构造函数：
- 函数原型：
```
mutex();
```
- 功能：创建一个新的互斥量对象。
lock() 函数：
- 函数原型：
```
void lock();
```
- 功能：尝试锁定互斥量，如果互斥量当前没有被其他线程锁定，则当前线程将锁定互斥量；如果互斥量已经被锁定，当前线程将被阻塞直到互斥量可用。
try_lock() 函数：
- 函数原型：
```
bool try_lock();
```
- 功能：尝试去锁定互斥量，如果互斥量当前没有被其他线程锁定，则当前线程将锁定互斥量并返回 true；如果互斥量已经被锁定，try_lock() 立即返回 false 而不会阻塞当前线程。
unlock() 函数：
- 函数原型：
```
void unlock();
```
- 功能：解锁互斥量，允许其他线程尝试锁定该互斥量。

下面是一个简单的示例，演示了如何使用 std::mutex 来保护共享资源：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mtx;
int sharedData = 0;

void updateSharedData() {
    mtx.lock();
    sharedData++;
    std::cout << "Thread ID: " << std::this_thread::get_id() << " updated sharedData to: " << sharedData << std::endl;
    mtx.unlock();
}

int main() {
    std::thread t1(updateSharedData);
    std::thread t2(updateSharedData);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

在这个示例中，两个线程 t1 和 t2 分别尝试更新 sharedData 变量，通过 std::mutex 对这一操作进行保护。这样可以确保在任一时刻只有一个线程可以访问和修改 sharedData，避免了数据竞争问题。

lock_guard和unique_lock

std::lock_guard 和 std::unique_lock 都是 C++ 中用于管理互斥锁（mutex）的 RAII（资源获取即初始化）类，它们可以帮助确保在作用域结束时自动释放互斥锁，避免忘记手动解锁而导致的死锁等问题。

std::lock_guard：
- std::lock_guard 是一个轻量级的互斥锁封装类，一旦被创建，它会自动锁定传入的互斥锁，并在其作用域结束时自动解锁。
- std::lock_guard 适用于那些在同一作用域内需要加锁和解锁的场景，它不能手动释放锁，只能在作用域结束时自动释放锁。
std::unique_lock：
- std::unique_lock 提供了比 std::lock_guard 更灵活的功能。它不仅可以管理互斥锁的锁定和解锁，还可以手动地进行锁定和解锁。
- std::unique_lock 支持延迟加锁和条件变量，因此在需要更灵活控制锁的场景下更为适用。

在使用这两个类时，当创建一个 std::lock_guard 或 std::unique_lock 对象时，会在构造函数中锁定传入的互斥锁，并在对象销毁时（作用域结束）自动解锁。

以下是一个简单的示例，演示了如何使用 std::lock_guard 和 std::unique_lock 来管理互斥锁：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mtx;

void workFunction() {
    std::lock_guard<std::mutex> lockGuard(mtx); // 使用 std::lock_guard 自动管理锁的加锁和解锁

    // 这里可以安全地访问共享资源，因为锁已经被自动加锁

    std::cout << "Worker thread is processing...\n";
}

int main() {
    std::thread workerThread(workFunction);

    // 主线程也可以使用 std::unique_lock 手动管理锁的加锁和解锁
    std::unique_lock<std::mutex> uniqueLock(mtx);
    
    // 这里可以安全地访问共享资源，因为锁已经被手动加锁

    // 在 uniqueLock 对象生命周期结束时，互斥锁会被自动解锁

    workerThread.join();

    return 0;
}

在这个示例中，workFunction 函数通过 std::lock_guard 管理互斥锁，而主线程通过 std::unique_lock 手动管理互斥锁

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种重要的 C++ 编程技术，用于管理资源的分配和释放。RAII 的核心思想是：通过在对象的构造函数中获取资源（如内存、文件句柄、互斥锁等），在对象的析构函数中释放资源，从而确保资源在对象生命周期结束时被正确释放。

使用 RAII 技术可以避免资源泄漏和忘记释放资源导致的问题，使得资源的管理更加安全和简单。当对象被创建时，它自动获取资源；当对象超出作用域时，其析构函数会自动调用，确保资源被释放。这种自动化的资源管理方式使得代码更加健壮并且易于维护。

常见的使用 RAII 的情况包括：

使用 std::unique_ptr、std::shared_ptr 等智能指针来管理动态分配的内存。
使用 std::lock_guard、std::unique_lock 等类来管理互斥锁的加锁和解锁。
使用文件流对象来管理文件的打开和关闭。
使用自定义的 RAII 类来管理其他资源，如数据库连接、网络连接等。

RTTI（Run-Time Type Information）是一个 C++ 的特性，用于在运行时获取对象的类型信息。通过 RTTI，你可以在程序运行时查询对象的实际类型，以及确定对象是否属于某个特定的类或子类。

C++ 中的 RTTI 主要通过两个关键字来实现：

dynamic_cast：用于在继承体系中进行安全的向下转换（downcast），即将基类指针或引用转换为派生类指针或引用。如果转换不安全，dynamic_cast会返回空指针（对于指针）或抛出std::bad_cast异常（对于引用）。
typeid：用于获取对象的类型信息。通过typeid操作符，可以获得一个指向std::type_info的对象，从而可以比较两个对象的类型是否相同。

这些特性允许你在运行时进行类型检查和类型转换，通常用于处理多态对象、工厂模式、插件系统等场景。需要注意的是，RTTI 的使用可能会引入一些运行时开销，并且过度依赖 RTTI 也可能暗示设计上的缺陷。因此，在使用 RTTI 时需要权衡好利弊，确保它符合程序设计的需要。

总的来说，RTTI 是 C++ 提供的一种功能强大的特性，可以在某些情况下帮助你更加灵活地处理对象的类型信息，但需要慎重使用以避免过度复杂化代码结构。

👉🏻condition_variable

当涉及到多线程编程中的线程同步和通信时，std::condition_variable 是一个重要的工具，用于实现线程间的条件变量等待和通知机制。下面是 std::condition_variable 类提供的一些主要接口函数：

std::condition_variable 构造函数：
- 函数原型：
```
condition_variable();
```
- 功能：创建一个新的条件变量对象。
wait() 函数：
- 函数原型：
```
void wait(std::unique_lock<std::mutex>& lock);
```
- 功能：当前线程等待条件变量，同时释放互斥锁 lock，使得其他线程可以获取互斥锁并修改共享数据。当收到通知后，wait() 函数会重新获取互斥锁 lock 并继续执行。
notify_one() 函数：
- 函数原型：
```
void notify_one();
```
- 功能：唤醒等待在条件变量上的一个线程，如果有多个线程在等待，则只会唤醒其中一个线程。
notify_all() 函数：
- 函数原型：
```
void notify_all();
```
- 功能：唤醒等待在条件变量上的所有线程。

下面是一个简单的示例，演示了如何使用 std::condition_variable 进行线程同步和通信：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void workerThread() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    while (!ready) {
        cv.wait(lock);
    }
    std::cout << "Worker thread is processing...\n";
}

int main() {
    std::thread worker(workerThread);

    // 模拟一些工作的完成
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ready = true;
        std::cout << "Main thread notifies worker thread\n";
    }
    
    cv.notify_one();

    worker.join();

    return 0;
}