C++多线程学习笔记

  • 开发
  • 24

创建线程(thread)

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;

// 函数fun，接收一个整型参数并在无限循环中打印递增的值
void fun(int a) {
    while(1) {
        cout << ++a << "\n"; // 打印自增后的a
        this_thread::sleep_for(chrono::microseconds(50)); // 线程休眠50微秒
    }
}

int main() {
    int a = 0; // 初始化变量a为0
    thread t1(fun, a); // 创建线程t1，并启动，执行fun函数，传入a作为参数
    cout << t1.get_id() << endl; // 获取并打印线程t1的ID
    // t1.detach(); // 线程与主线程分离，独立运行
    t1.join(); // 等待线程t1执行完毕后再继续执行主线程的后续代码
    return 0; // 返回0，程序结束
}

互斥量(mutex)，原子变量(atomic)

使用mutex互斥量

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
using namespace std;

mutex mtx;  // 定义互斥量

int gg = 0;  // 全局变量 gg，作为共享资源

void fun() {
    int t = 1000;
    while (t--) {
        mtx.lock();  // 上锁
        ++gg;  // 修改共享资源
        --gg;  // 修改共享资源
        mtx.unlock();  // 解锁
    }
}

int main() {
    thread t1(fun);  // 创建线程 t1
    thread t2(fun);  // 创建线程 t2

    t1.join();  // 等待线程 t1 结束
    t2.join();  // 等待线程 t2 结束

    cout << gg;  // 输出共享资源 gg 的值
    return 0;
}

多个锁的情况

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
using namespace std;

mutex mtx1, mtx2; // 定义两个互斥量

int gg = 0;

void fun() {
    int t = 1000;
    while (t--) {
        // 同时对两个互斥量上锁
        lock(mtx1, mtx2);
        
        ++gg; // gg自增
        --gg; // gg自减
        
        mtx1.unlock(); // 解锁第一个互斥量
        mtx2.unlock(); // 解锁第二个互斥量
    }
}

int main() {
    thread t1(fun); // 创建线程t1
    thread t2(fun); // 创建线程t2
    
    t1.join(); // 等待线程t1结束
    t2.join(); // 等待线程t2结束
    
    cout << gg; // 输出gg的值
    return 0;
}

实际开发中不会直接使用互斥量，而是搭配模板lock_guard使用，或者搭配功能更多的模板unique_lock使用

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

using namespace std;

int gg = 0;
mutex mtx1;
mutex mtx2;

void fun() {
    int t = 1000;
    while (t--) {
        lock_guard<mutex> lock1(mtx1);  // 使用lock_guard自动管理锁，作用域结束自动解锁
        lock_guard<mutex> lock2(mtx2);  // 同时锁定两个mutex，确保线程安全性
        ++gg;
        --gg;
    }
}

int main() {
    thread t1(fun);
    thread t2(fun);

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

    cout << gg;  // 输出最终的gg值，理论上应该为0，因为++gg和--gg成对出现

    return 0;
}

使用原子变量

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
using namespace std;

atomic<int> gg = 0; // 原子变量 gg

void fun() {
    int t = 1000;
    while (t--) {
        ++gg;  // 原子操作：自增
        --gg;  // 原子操作：自减
    }
}

int main() {
    thread t1(fun);  // 创建线程 t1 执行 fun 函数
    thread t2(fun);  // 创建线程 t2 执行 fun 函数

    t1.join();  // 等待线程 t1 执行完毕
    t2.join();  // 等待线程 t2 执行完毕

    cout << gg;  // 输出原子变量 gg 的最终值
    return 0;
}

条件变量(condition_variable)，信号量(semaphore)

#include <condition_variable>
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <queue>
#include <thread>
using namespace std;

mutex mtx;              // 互斥量，用于保护共享资源
queue<int> q;           // 共享队列，生产者向其中推送数据，消费者从中取出数据
condition_variable cv;  // 条件变量，用于线程之间的同步

void producer() {
    int i = 0;
    while (true) {
        unique_lock<mutex> lock(mtx);   // 加锁，保护共享资源
        q.push(i);                      // 向队列中推送数据
        cout << "push: " << i << endl;  // 打印推送的数据
        cv.notify_one();                // 唤醒一个等待的消费者线程
        // cv.notify_all();             // 唤醒所有等待的消费者线程
        if (i < 9999)
            ++i;
        else
            i = 0;
    }
}

void consumer() {
    int data = 0;
    while (true) {
        unique_lock<mutex> lock(mtx);   // 加锁，保护共享资源
        while (q.empty())
            cv.wait(lock);              // 等待直到队列非空，解锁互斥量并等待条件变量通知后重新加锁
        data = q.front();               // 获取队列头部数据
        q.pop();                        // 弹出队列头部数据
        cout << "pop: " << data << '\n';// 打印弹出的数据
    }
}

int main() {
    thread t1(producer);    // 创建生产者线程
    thread t2(consumer);    // 创建消费者线程

    t1.join();              // 等待生产者线程结束
    t2.join();              // 等待消费者线程结束

    return 0;
}

信号量(semaphore)只在C++20之后的标准有(了解)

#include <iostream>
#include <thread>
#include <semaphore> // 包含信号量的头文件
using namespace std;

counting_semaphore<3> csem(0); // 定义一个初始计数为0的计数信号量，最多允许3个线程同时访问
binary_semaphore bsem(0); // 定义一个初始计数为0的二进制信号量，相当于一次只允许一个线程访问

void task() {
    cout << "线程开始等待信号量\n";
    csem.acquire(); // 线程等待并获取计数信号量
    cout << "线程获取到信号量，继续执行\n";
}

int main() {
    thread t0(task); // 创建线程 t0 执行 task 函数
    thread t1(task); // 创建线程 t1 执行 task 函数
    thread t2(task); // 创建线程 t2 执行 task 函数
    thread t3(task); // 创建线程 t3 执行 task 函数
    thread t4(task); // 创建线程 t4 执行 task 函数

    cout << "主线程释放信号量\n";
    csem.release(2); // 主线程释放2个信号量，唤醒等待的线程，因为初始设置是0，也就是要唤醒两个线程

    t0.join(); // 等待线程 t0 执行完毕
    t1.join(); // 等待线程 t1 执行完毕
    t2.join(); // 等待线程 t2 执行完毕
    t3.join(); // 等待线程 t3 执行完毕
    t4.join(); // 等待线程 t4 执行完毕

    return 0;
}

promise future

#include <future>
#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

// 定义一个任务函数，接受一个整数参数和一个promise引用
void task(int a, promise<int> &r)
{
    // 将计算结果设置到promise中
    r.set_value(a + a);
}

int main()
{
    // 创建一个promise对象，用于在任务函数中设置值
    promise<int> p;
    // 从promise中获取future对象，用于获取任务函数的返回值
    future<int> f = p.get_future();
    
    // 创建一个线程，执行任务函数task，并传递参数1和promise对象p的引用
    thread t(task, 1, ref(p));
    
    /*
        在此处可以进行其他操作
    */
    
    // 输出future对象的值，注意：future的get方法只能调用一次
    cout << f.get();
    
    /*
        如果需要多次访问future对象的值，可以使用shared_future
        shared_future<int> s_f = f.share();
        这样可以直接值传递，而不是引用传递
    */
    
    // 等待线程执行完成
    t.join();
    
    return 0;
}

std::packaged_task std::async

async

#include <future>
#include <iostream>
using namespace std;

// 定义一个函数，计算两个整数的和
int task(int a, int b)
{
    return a + b;
}

int main()
{
    // 创建一个 future 对象，用 async 异步调用 task 函数，并传入参数 1 和 2
    future<int> fu = async(task, 1, 2);
    // 相当于 future<int> fu = async(launch::async|launch::deferred, task, 1, 2);
    // launch::async 会启动一个新线程执行任务
    // launch::deferred 会延迟调用任务，在需要获取结果时才调用
    // launch::async|launch::deferred 根据具体情况自动选择

    // 输出 future 对象的结果，使用 get() 函数获取异步任务的返回值
    cout << fu.get();

    return 0;
}

packaged_task

#include <future>
#include <iostream>
using namespace std;

// 定义一个任务，计算两个整数的和
int task(int a, int b)
{
    return a + b;
}

int main()
{
    // 创建一个打包任务，将函数 task 绑定到 packaged_task
    packaged_task<int(int, int)> t(task);
    
    // 执行任务，传入参数 1 和 2
    t(1, 2);
    
    // 获取任务的未来对象，并获取结果
    cout << t.get_future().get();
    
    return 0;
}

bind

#include <future>
#include <iostream>
using namespace std;

// 定义一个普通函数，返回两个整数的和
int task(int a, int b)
{
    return a + b;
}

int main()
{
    // 使用bind将函数task绑定到a，返回一个std::function对象
    auto a = bind(task, 1, 2); // 返回的是std::function

    // 调用a，计算绑定的函数结果
    int ret = a();
    cout << ret << endl;

    // 使用packaged_task封装a，packaged_task是一个可调用对象的包装器
    packaged_task<int()> t(a);
    t(); // 执行packaged_task，实际调用绑定的函数task

    // 获取packaged_task的future，等待任务完成并获取结果
    cout << t.get_future().get(); // 输出任务的结果

    return 0;
}

异步线程池

#include <vector>
#include <queue>
#include <memory>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <future>
#include <functional>
#include <stdexcept>
#include <iostream>
 
// 建议使用支持C++14以上的编译器以支持所有特性
class ThreadPool {
public:
    // 构造函数， 初始化大小
    ThreadPool(size_t);
 
    // typename std::result<F(Args...)> -> 编译期推断返回类型
    // 可以使用auto代替，自动推断返回类型
    template<class F, class... Args>
    auto enqueue(F &&f, Args &&... args)
    -> std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type>;
 
    // 析构函数
    ~ThreadPool();
 
private:
    // need to keep track of threads so we can join them
    // 线程池的工作线程数
    std::vector<std::thread> workers;
 
    // the task queue
    // 任务队列 函数应该被包装为void(void) 的task
    std::queue<std::function<void()> > tasks;
 
    // synchronization
    // 同步工具
    // 互斥锁和条件变量
    // stop变量检测是否关闭线程池，可以使用atomic<bool>代替
    std::mutex queue_mutex;
    std::condition_variable condition;
    bool stop;
};
 
// the constructor just launches some amount of workers
inline ThreadPool::ThreadPool(size_t threads)
        : stop(false) {
    // 创建threads个新线程塞进线程池
    // 使用std::move 右值传递
    for (size_t i = 0; i < threads; ++i)
        workers.emplace_back( // 相当于 push_back(std::move(...))
                [this] { // lambda函数，将class的成员变量以指针（引用）形式传递进去，*this则是以拷贝形式传递
                    for (;;) {
                        // worker函数不断轮询，竞争任务
                        // 创建一个任务包装，以存放将要完成的task
                        std::function<void()> task;
                        {
                            // 访问临界区需要上锁
                            std::unique_lock<std::mutex> lock(this->queue_mutex);
                            // 若队列不为空或者需要stop，则唤醒worker
                            this->condition.wait(lock,
                                                 [this] { return this->stop || !this->tasks.empty(); });
                            // 若有停止信号或者队列为空，则直接返回
                            if (this->stop && this->tasks.empty())
                                return;
                            // 获取任务，使用右值
                            task = std::move(this->tasks.front());
                            // 弹出在工作的任务
                            this->tasks.pop();
                        }
                        // 执行任务
                        task();
                        // 完成后继续从task队列中提取任务
                    }
                }
        );
}
 
// add new work item to the pool
template<class F, class... Args>
auto ThreadPool::enqueue(F &&f, Args &&... args)
// 下面的推断可以使用auto
-> std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type> {
    // 使用萃取的方法获取返回值类型
    using return_type = typename std::result_of<F(Args...)>::type;
 
    // 将任务包装成异步函数指针，封装为shared_ptr 完后后自动回收，不造成内存泄漏
    // 而且在后续的lambda函数中可以直接传递函数指针然后执行
    // 使用packaged_task<>，函数绑定std::bind，和完美转发std::forward
    // 包装需要执行的函数，然后在后台进行异步执行
    auto task = std::make_shared<std::packaged_task<return_type()> >(
            std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...));
 
    // 绑定异步函数task的返回值到future res中
    std::future<return_type> res = task->get_future();
 
    {
        // 在匿名作用域中使用unique_lock
        // 减小锁的粒度，出了匿名作用区锁就被释放
        std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
 
        // don't allow enqueueing after stopping the pool
        // 防止在停止后放入任务
        if (stop)
            throw std::runtime_error("enqueue on stopped ThreadPool");
 
        // 将匿名函数包装到lambda函数void()中
        // task是函数指针（即函数的地址），所以拷贝传递可以执行
        tasks.emplace([task]() { (*task)(); });
    }
    // 唤醒一个worker
    condition.notify_one();
    return res;
}
 
// the destructor joins all threads
inline ThreadPool::~ThreadPool() {
    {
        // 此处使用atomic<bool>显得更加方便
        std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
        stop = true;
    }
    condition.notify_all();
    // join后自动销毁回收
    for (std::thread &worker: workers)
        worker.join();
}

 
int main() {
 
    ThreadPool pool(4);
    std::vector<std::future<int> > results;
 
    results.reserve(8);
    for (int i = 0; i < 8; ++i) {
        results.emplace_back(
                pool.enqueue([i] {
                    std::cout << "hello " << i << std::endl;
                    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
                    std::cout << "world " << i << std::endl;
                    return i * i;
                })
        );
    }
 
    for (auto &&result: results)
        std::cout << result.get() << ' ';
    std::cout << std::endl;
 
    return 0;
}
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