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C++多线程编程超详解

时间：2022-01-17 15:20     来源/作者：UExplorer

C++多线程

1. 概念

  • 进程：一个在内存中运行的应用程序。每个进程都有自己独立的一块内存空间，一个进程可以有多个线程，比如在Windows系统中，一个运行的xx.exe就是一个进程。
  • 线程：进程中的一个执行任务（控制单元），负责当前进程中程序的执行。一个进程至少有一个线程，一个进程可以运行多个线程，多个线程可共享数据。与进程不同的是同类的多个线程共享进程的堆和方法区资源，但每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈，所以系统在产生一个线程，或是在各个线程之间作切换工作时，负担要比进程小得多，也正因为如此，线程也被称为轻量级进程。
  • 并发：并发指的是两个或多个独立的活动在同一时段内发生。并发在生活中随处可见：比如在跑步的时候同时听音乐，在看电脑显示器的同时敲击键盘等。同一时间段内可以交替处理多个操作，强调同一时段内交替发生。
  • 并行：同一时刻内同时处理多个操作，强调同一时刻点同时发生。

2. 常用API

​ 头文件#include<thread>

1.thread

API 描述 注意
thread.join() 加入线程(会阻塞主线程，模拟同步操作)  
thread.detach() 加入线程(不会阻塞主线程，模拟异步操作)  
thread.joinable() 是否可加入线程，返回bool  
thread.get_id() 获取线程的ID  
thread.hardware_concurrency() 获取硬件并发的数量  
thread.swap() 交换线程  
thread.native_handle() 获取原生handle，为windows多线程中CreateThread的返回值，使用这个handle从而可以实现线程的挂起唤醒  

测试代码：

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void threadFunc01() {
    cout << "thread join1" << endl;
    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));
}
void threadFunc02() {
    cout << "thread join2" << endl;
    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));
}
void test01() {
    // 创建线程
    std::thread thread1(threadFunc01);
    std::thread thread2(threadFunc02);
    //thread.join(); //join 会阻塞主线程 同步操作
    //thread.detach(); //detach 不会阻塞主线程 异步操作
    bool bJoinAble = thread1.joinable();
    thread::id threadId = thread1.get_id();
    //hardware_concurrency 硬件并发的数量
    int threadNum = thread1.hardware_concurrency();
    cout << "hardware_concurrency:" << threadNum << endl;
    //应用 线程的预分配。
    for (int i = 0; i < thread1.hardware_concurrency(); i++) {
        std::thread threadRef(threadFunc01);
        threadRef.detach();
    }
    thread1.swap(thread2);
    thread1.join();
}

向线程里传递参数的方法：

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// 向线程里传递参数的方法
#include<string>
void threadFunc03(int num, const string& str) {
    cout << "num = " << num << " str = " << str << endl;
}
struct FObject {
    void Run(const string& str) {
        cout << str << endl;
    }
};
void test02() {
    // 通过函数绑定
    thread newThread1(threadFunc03, 10, "Unreal");
    newThread1.detach();
    // 通过lambda绑定
    int a = 50;
    thread newThread2([&](int num,const string& str) {
        cout << "a = " << a << " num = " << num << " str = " << str << endl;
        }, 1, "Unreal");
    newThread2.detach();
 
    // 绑定对象
    FObject objectRef;
    thread newThread3(&FObject::Run, objectRef, "Unreal");
    newThread3.detach();
}

2.互斥锁mutex

​ 头文件#include<mutex>

API 描述 注意
mutex.lock() 上锁  
mutex.unlock() 解锁  
mutex.try_lock() 判断可不可以加锁,返回bool 可以用该方法建立非阻塞模式

测试代码：

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#include<mutex>
mutex lockRef;
void threadFunc04(int num,const string& str) {
    // 进入该线程锁住该线程，其他线程想要进入该线程需要排队
    lockRef.lock();
    cout << "thread join4" << endl;
    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));
    // 解锁
    lockRef.unlock();
}
void test03() {
    std::thread thread1(threadFunc04, 10, "Unreal");
    std::thread thread2(threadFunc04, 5, "Unity");
    std::thread thread3(threadFunc04, 20, "Cocos");
    thread1.detach();
    thread2.detach();
    thread3.detach();
}

使用类加锁的方式：

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#include<mutex>
mutex lockRef;
struct FEvent {
    FEvent() {
        m.lock();
    }
    ~FEvent()
    {
        m.unlock();
    }
    static mutex m;
};
mutex FEvent::m;
#define LOCK_SCOPE FEvent Event
void threadFunc04(int num,const string& str) {
    LOCK_SCOPE; //加上锁,并且过了这个作用域自动解锁(析构)
    cout << "thread join4" << endl;
    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));
}
void test03() {
    std::thread thread1(threadFunc04, 10, "Unreal");
    std::thread thread2(threadFunc04, 5, "Unity");
    std::thread thread3(threadFunc04, 20, "Cocos");
    thread1.detach();
    thread2.detach();
    thread3.detach();
}

try_lock()

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void threadFunc04(int num,const string& str) {
    bool bLock = FEvent::m.try_lock();
    if (bLock) {
        LOCK_SCOPE; //加上锁,并且过了这个作用域自动解锁(析构)
        cout << "thread join4" << endl;
        this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));
    }
}

​ 使用try_lock()可以进行判断能不能上锁，不能上锁的话，就不用执行上锁后的代码，防止其他线程阻塞在该线程。

lock_guard

lock_guard是一种锁类，作用和我们上面自定义的锁类FEvent相同，创建的时候锁住目标线程，释放的时候解锁。

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// 声明方式
lock_guard<mutex>ref;

源码：

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template <class _Mutex>
class lock_guard { // class with destructor that unlocks a mutex
public:
    using mutex_type = _Mutex;
    explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx) : _MyMutex(_Mtx) { // construct and lock
        _MyMutex.lock();
    }
    lock_guard(_Mutex& _Mtx, adopt_lock_t) : _MyMutex(_Mtx) { // construct but don't lock
    }
    ~lock_guard() noexcept {
        _MyMutex.unlock();
    }
    lock_guard(const lock_guard&) = delete;
    lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
    _Mutex& _MyMutex;
};

unique_lock

​ 作用和lock_guard相同，唯一的不同之处，lock_guard开放的API只有析构函数，而unique_lock开放的API非常多，即自由度比lock_guard高，可以定义锁的行为。

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void test05() {
    // defer_lock 关键字为延迟锁，即创建该对象时不会锁住该线程，什么时候锁需要自定义
    std::unique_lock<mutex>lockRef2(FEvent::m,defer_lock);
    std::unique_lock<mutex>lockRef2(FEvent::m,chrono::seconds(2)); //锁两秒
    //....执行
    lockRef2.lock();
    lockRef2.unlock();
    bool bLock1 = lockRef2.try_lock();//尝试上锁
    lockRef2.try_lock_for(chrono::seconds(2)); //锁2s
    mutex *lockRef3 = lockRef2.release(); //释放锁，同时会返回被释放的这个锁的指针对象
    bool bLock2 = lockRef2.owns_lock(); //当前是否被锁住
}

应用：

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void test05() {
    //std::lock_guard<mutex>lockRef1(FEvent::m);
    // defer_lock 关键字为延迟锁
    std::unique_lock<mutex>lockRef2(FEvent::m,defer_lock);
    lockRef2.lock();
    lockRef2.mutex();
    bool bLock = lockRef2.owns_lock();
    std::unique_lock<mutex>lockRef3;
    lockRef2.swap(lockRef3);
    std::unique_lock<mutex>lockRef4 = move(lockRef3);
    lockRef4.unlock();
}

3. 挂起和唤醒

​ 头文件#include<windows.h>

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测试代码：

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#include<windows.h>
void threadFunc05() {
    while (true)
    {
        Sleep(10);
        cout << "threadFunc05" << endl;
    }
}
 
void test04() {
    thread thread1(threadFunc05);
    // 挂起线程
    SuspendThread(thread1.native_handle());
    Sleep(2);
    // 唤醒线程
    ResumeThread(thread1.native_handle());
}

如何高效将主线程资源进行转移：

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void threadFunc06(const char* str) {
    cout << str << endl;
}
void test04() {
    // 如何高效转移线程资源
    // 使用std::move
    thread thread2(threadFunc06, move("Unreal")); // 使用move避免了拷贝
    thread thread3 = move(thread2);
    thread3.detach();
}

3. 应用场景

3.1 call_once执行一次的函数

​ 通过使用该函数，用来防止多线程的多次触发。

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once_flag tag;
void callonceTest() {
    call_once(tag, [&]() {
        cout << "Do once" << endl;
        });
}
void test06() {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        thread thread1(callonceTest);
        thread1.detach();
    }
}

3.2 condition_variable条件锁

​ 使用需要包含头文件#include<condition_variable>

可以使用条件锁来达到同步的作用，即当满足一定的条件后才解锁某个线程。

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#include<condition_variable>
condition_variable condition_lock;
mutex mutexLock;
void conditionFuncTest() {
    unique_lock<mutex>lock(mutexLock);
    condition_lock.wait(lock);  //锁住该线程
    cout << "Run" << endl;
}
void test12() {
    std::thread threadRef(conditionFuncTest);
    threadRef.detach();
    Sleep(3000); //3s后再激活
    condition_lock.notify_one();
}

3.3 future获取线程的计算结果

​ 通过使用future可以得到"未来"线程被调用的时候计算得返回值，使用时需要包含头文件#include<future>。

声明方式:

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// async为创建该线程的方式为异步 funName 函数名 args为传入的函数参数
std::future<string>newFuture = std::async(launch::async, funName,args...);

应用：

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#include<future>
string getString(int num) {
    return "Unreal";
}
void test08() {
    std::future<string>newFuture = std::async(launch::async, getString, 10);
    //std::future<string>newFuture = std::async(launch::deferred, getString, 10); // 睡一秒再执行
    Sleep(1000);
    string str = newFuture.get(); //get只能调用一次 调第二次会崩溃
    // 防止崩溃的写法
    if (newFuture.valid()) {
        string str = newFuture.get();
    }
}

3.4 promise主线程如何将数据发送数据到其他线程

​ 通过使用promise(承诺)来进行进程之间的交互，常配合std::future使用。其作用是在一个线程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。

​ 测试代码：

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// promise
string promiseTest(future<string>& future) {
    cout << future.get() << endl;
    return "Unreal";
}
void test09() {
    promise<string> promiseRef;
    future<string>future1 = promiseRef.get_future();
    future<string>future2 = std::async(launch::async, promiseTest, std::ref(future1)); //future 不支持值拷贝 需要传递引用
    promiseRef.set_value("Unreal is the best game engine in the world");
}

​ 但这里也有一个问题需要思考，如果需要发送数据到多个线程，是不是需要一个个的创建上面的代码呢。这里就引出了多线程之间共享状态这个解决方法。

3.5 future.share()多线程之间共享状态

​ 通过future.share()我们可以很方便的使多个线程之间共享状态。

现在来看看没有使用该函数的话我们要共享状态的话需要这么写:

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string promiseTest(future<string>& future) {
    cout << future.get() << endl;
    return "Unreal";
}
void test09() {
    promise<string> promiseRef;
    future<string>future1 = promiseRef.get_future();
    future<string>future2 = promiseRef.get_future();
    future<string>future3 = promiseRef.get_future();
    future<string>future4 = std::async(launch::async, promiseTest, std::ref(future1)); //future 不支持值拷贝 需要传递引用
    future<string>future5 = std::async(launch::async, promiseTest, std::ref(future2)); //future 不支持值拷贝 需要传递引用
    future<string>future6 = std::async(launch::async, promiseTest, std::ref(future3)); //future 不支持值拷贝 需要传递引用
    promiseRef.set_value("Unreal is the best game engine in the world");
}

使用了future.share()函数后:

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string promiseTest02(shared_future<string> future) {
    cout << future.get() << endl;
    return "Unreal";
}
void test09() {
    promise<string> promiseRef;
    future<string>future1 = promiseRef.get_future();
    // shared_future
    shared_future<string> sharedFutrue1 = future1.share();
    future<string>future2 = std::async(launch::async, promiseTest02, sharedFutrue1); //shared_future 可以用拷贝传递
    future<string>future3 = std::async(launch::async, promiseTest02, sharedFutrue1);
    future<string>future4 = std::async(launch::async, promiseTest02, sharedFutrue1);
    promiseRef.set_value("Unreal is the best game engine in the world");
}

3.6 线程packaged_task

​ packaged_task和promise非常相似，packaged_task<F>是对promise<T= std::function<F>>中T= std::function<F>这一可调对象(如函数、lambda表达式等)进行了包装，简化了使用方法。并将这一可调对象的返回结果传递给关联的future对象。

绑定Lambda

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void test10() {
    //绑定lambda
    packaged_task<int(int, int)> task1([](int a,int b) ->int{
        return a + b;
        });
    task1(1, 4);
    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
    if (task1.valid()) {
        auto f1 = task1.get_future();
        cout << f1.get() << endl;
    }
}

绑定普通函数

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int packagedTest(int a,int b) {
    return a + b;
}
void test10() {
    //绑定函数
    packaged_task<int(int, int)>task2(packagedTest);
    task2(10, 5);
    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
    if (task2.valid()) {
        auto f2 = task2.get_future();
        cout << f2.get() << endl;
    }
}

使用std::bind进行函数绑定

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int packagedTest(int a,int b) {
    return a + b;
}
void test10() {
    // bind
    packaged_task<int(int, int)>task3(std::bind(packagedTest,1,2));
    task3(10, 5); //因为bind使用了占位符 所以这里传入的10 5失效了
    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
    if (task3.valid()) {
        auto f3 = task3.get_future();
        cout << f3.get() << endl; //1+2
    }
}

3.7 时间约束

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void test11() {
    //休眠2s
    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));
    // 休眠现在的时间加上2s
    chrono::steady_clock::time_point timePos = chrono::steady_clock::now() + chrono::seconds(2);
    this_thread::sleep_until(timePos);
}

4. Windows多线程

​ 使用WindowsAPI进行多线程的编写，需要包含头文件

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#include<windows.h>

4.1 Windows创建线程

​ 使用CreateThread()创建线程

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DWORD WINAPI funcThread(LPVOID lpPram) {
    // DWORD 类型为unsigned long
    // LPVOID 类型为void
    cout << "Unreal!" << endl;
    Sleep(1000);
    return 0l;
}
void windowsThreadTest01() {
    HANDLE handleRef = CreateThread(nullptr,0, funcThread,nullptr,0,nullptr);
    Sleep(2000);
    CloseHandle(handleRef); //使用之后需要关闭handle
}

​ 其中传入的参数为：

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/*
WINBASEAPI
_Ret_maybenull_
HANDLE
WINAPI
CreateThread(
    _In_opt_ LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,  和线程安全有关 一般为null
    _In_ SIZE_T dwStackSize,                            线程栈的大小
    _In_ LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,         被线程执行的回调函数
    _In_opt_ __drv_aliasesMem LPVOID lpParameter,       传入线程的参数
    _In_ DWORD dwCreationFlags,                         创建线程的标志   参数0 代表立即启动该线程
    _Out_opt_ LPDWORD lpThreadId                        传出的线程ID
);
*/

4.2 Windows互斥锁

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// windows互斥锁
HANDLE hMutex = nullptr;
DWORD WINAPI funcThread02(LPVOID lpParam) {
    cout << "Unreal" << endl;
    WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
    Sleep(5000);
    ReleaseMutex(hMutex);
    return 0l;
}
 
void windowsThreadTest02() {
    hMutex = CreateMutex(nullptr, false, L"Mutex");
    HANDLE handleRef1 = CreateThread(nullptr, 0, funcThread02, nullptr, 0, nullptr);
    HANDLE handleRef2 = CreateThread(nullptr, 0, funcThread02, nullptr, 0, nullptr);
    CloseHandle(handleRef1);
    CloseHandle(handleRef2);
}

传入的参数为：

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/*
WINBASEAPI
_Ret_maybenull_
HANDLE
WINAPI
CreateMutexW(
    _In_opt_ LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,      和线程安全有关一般为null
    _In_ BOOL bInitialOwner,                               有没有该锁的控制权
    _In_opt_ LPCWSTR lpName                                锁名字
    );
*/

4.3 Windows挂起和唤醒线程

​ 通过使用SuspendThread(HandleRef)和ResumeThread(HandleRef)来挂起和唤醒线程

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// windows 挂起唤醒
DWORD WINAPI funcThread03(LPVOID lpParam) {
    while (true) {
        Sleep(500);
        cout << "IsRunning" << endl;
    }
    return 0l;
}
 
void windowsThreadTest03() {
    HANDLE hRef = CreateThread(nullptr, 0, funcThread03, nullptr, 0, nullptr);
    SuspendThread(hRef);
    Sleep(2000);
    ResumeThread(hRef);
    CloseHandle(hRef);
}

总结

本篇文章就到这里了，希望能够给你带来帮助，也希望您能够多多关注服务器之家的更多内容！

原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_45389639/article/details/120519176

标签：
C++ 编程 多线程 

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