C++11多线程编程基础入门

1.在C++11中创建新线程

　　在每个c++应用程序中，都有一个默认的主线程，即main函数，在c++11中，我们可以通过创建std::thread类的对象来创建其他线程，每个std :: thread对象都可以与一个线程相关联，只需包含头文件< thread>。可以使用std :: thread对象附加一个回调，当这个新线程启动时，它将被执行。 这些回调可以为函数指针、函数对象、Lambda函数。
　　线程对象可通过std::thread thObj(< CALLBACK>)来创建，新线程将在创建新对象后立即开始，并且将与已启动的线程并行执行传递的回调。此外，任何线程可以通过在该线程的对象上调用join()函数来等待另一个线程退出。
　　使用函数指针创建线程：

//main.cpp
#include <iostream>
#include <thread>
void thread_function() {    
    for (int i = 0; i < 5; i++)        
    std::cout << "thread function excuting" << std::endl;
}int main() {    
    std::thread threadObj(thread_function);    
    for (int i = 0; i < 5; i++)        
    std::cout << "Display from MainThread" << std::endl;
   threadObj.join();    
   std::cout << "Exit of Main function" << std::endl;    return 0;
}

　　使用函数对象创建线程：

#include <iostream>
#include <thread>
class DisplayThread {
    public:void operator ()() {        
        for (int i = 0; i < 100; i++)            
        std::cout << "Display Thread Excecuting" << std::endl;
    }
};
int main() {    
    std::thread threadObj((DisplayThread()));    
    for (int i = 0; i < 100; i++)        
    std::cout << "Display From Main Thread " << std::endl;    
    std::cout << "Waiting For Thread to complete" << std::endl;
    threadObj.join();    
    std::cout << "Exiting from Main Thread" << std::endl;    
    return 0;
}

CmakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(Thread_test)set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
find_package(Threads REQUIRED)
add_executable(Thread_test main.cpp)
target_link_libraries(Thread_test ${CMAKE_THREAD_LIBS_INIT})

每个std::thread对象都有一个相关联的id，std::thread::get_id() —-成员函数中给出对应线程对象的id;
std::this_thread::get_id()—-给出当前线程的id，如果std::thread对象没有关联的线程，get_id()将返回默认构造的std::thread::id对象：“not any thread”，std::thread::id也可以表示id。

2.joining和detaching 线程

线程一旦启动，另一个线程可以通过调用std::thread对象上调用join()函数等待这个线程执行完毕:

std::thread threadObj(funcPtr); 
threadObj.join();

例如，主线程启动10个线程，启动完毕后，main函数等待他们执行完毕，join完所有线程后，main函数继续执行：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <algorithm>
class WorkerThread
{
    public:void operator()(){        
        std::cout<<"Worker Thread "<<std::this_thread::get_id()<<"is Excecuting"<<std::endl;
    }
};
    int main(){    
        std::vector<std::thread> threadList;    
        for(int i = 0; i < 10; i++){
        threadList.push_back(std::thread(WorkerThread()));
    }    
    // Now wait for all the worker thread to finish i.e.
    // Call join() function on each of the std::thread object
    std::cout<<"Wait for all the worker thread to finish"<<std::endl;    
    std::for_each(threadList.begin(), threadList.end(), std::mem_fn(&std::thread::join));    
    std::cout<<"Exiting from Main Thread"<<std::endl;    
    return 0;
}

detach可以将线程与线程对象分离,让线程作为后台线程执行,当前线程也不会阻塞了.但是detach之后就无法在和线程发生联系了.如果线程执行函数使用了临时变量可能会出现问题,线程调用了detach在后台运行,临时变量可能已经销毁,那么线程会访问已经被销毁的变量，需要在std::thread对象中调用std::detach()函数:

std::thread threadObj(funcPtr)
threadObj.detach();

调用detach()后，std::thread对象不再与实际执行线程相关联，在线程句柄上调用detach() 和 join()要小心.

3.将参数传递给线程

要将参数传递给线程的可关联对象或函数，只需将参数传递给std::thread构造函数，默认情况下，所有的参数都将复制到新线程的内部存储中。
给线程传递参数：

#include <iostream>
#include <string>
#include <thread>
void threadCallback(int x, std::string str) {  
    std::cout << "Passed Number = " << x << std::endl;  
    std::cout << "Passed String = " << str << std::endl;
}int main() {  
    int x = 10;  
    std::string str = "Sample String";  
    std::thread threadObj(threadCallback, x, str);
  threadObj.join();  
  return 0;
}

　　给线程传递引用：

#include <iostream>
#include <thread>
void threadCallback(int const& x) {  
    int& y = const_cast<int&>(x);
  y++;  
  std::cout << "Inside Thread x = " << x << std::endl;
}int main() {  
    int x = 9;  
    std::cout << "In Main Thread : Before Thread Start x = " << x << std::endl;  
    std::thread threadObj(threadCallback, x);
  threadObj.join();  
  std::cout << "In Main Thread : After Thread Joins x = " << x << std::endl;  
  return 0;
}

输出结果为：
In Main Thread : Before Thread Start x = 9
Inside Thread x = 10
In Main Thread : After Thread Joins x = 9

Process finished with exit code 0
即使threadCallback接受参数作为引用，但是并没有改变main中x的值，在线程引用外它是不可见的。这是因为线程函数threadCallback中的x是引用复制在新线程的堆栈中的临时值，使用std::ref可进行修改：

#include <iostream>
#include <thread>
void threadCallback(int const& x) {  
    int& y = const_cast<int&>(x);
  y++;  
  std::cout << "Inside Thread x = " << x << std::endl;
}int main() {  
    int x = 9;  std::cout << "In Main Thread : Before Thread Start x = " << x << std::endl;  
    std::thread threadObj(threadCallback, std::ref(x));
  threadObj.join();  
  std::cout << "In Main Thread : After Thread Joins x = " << x << std::endl;  
  return 0;
}

输出结果为：
In Main Thread : Before Thread Start x = 9
Inside Thread x = 10
In Main Thread : After Thread Joins x = 10

Process finished with exit code 0
指定一个类的成员函数的指针作为线程函数，将指针传递给成员函数作为回调函数，并将指针指向对象作为第二个参数：

#include <iostream>
#include <thread>
class DummyClass { 
public:
  DummyClass() { }
  DummyClass(const DummyClass& obj) { }  
  void sampleMemberfunction(int x) {    
      std::cout << "Inside sampleMemberfunction " << x << std::endl;
  }
};
    int main() {
      DummyClass dummyObj;  
      int x = 10;  
      std::thread threadObj(&DummyClass::sampleMemberfunction, &dummyObj, x);
      threadObj.join();  
      return 0;
}

4.线程间数据的共享与竞争条件

在多线程间的数据共享很简单，但是在程序中的这种数据共享可能会引起问题，其中一种便是竞争条件。当两个或多个线程并行执行一组操作，访问相同的内存位置，此时，它们中的一个或多个线程会修改内存位置中的数据，这可能会导致一些意外的结果，这就是竞争条件。竞争条件通常较难发现并重现，因为它们并不总是出现，只有当两个或多个线程执行操作的相对顺序导致意外结果时，它们才会发生。
例如创建5个线程，这些线程共享类Wallet的一个对象，使用addMoney()成员函数并行添加100元。所以，如果最初钱包中的钱是0，那么在所有线程的竞争执行完毕后，钱包中的钱应该是500，但是，由于所有线程同时修改共享数据，在某些情况下，钱包中的钱可能远小于500。
测试如下：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <algorithm>
class Wallet {    
    int mMoney;
    public: Wallet() : mMoney(0) { }    
    int getMoney() { return mMoney; }    
    void addMoney(int money) {        
        for (int i = 0; i < money; i++) {
            mMoney++;
        }
    }
};int testMultithreadWallet() {
    Wallet walletObject;    
    std::vector<std::thread> threads;    
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        threads.push_back(std::thread(&Wallet::addMoney, &walletObject, 100));
    }    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        threads.at(i).join();
    }    
    return walletObject.getMoney();
}int main() {    
        int val = 0;    
        for (int k = 0; k < 100; k++) {        
        if ((val=testMultithreadWallet()) != 500) {            
            std::cout << "Error at count = " << k << " Money in Wallet = " << val << std::endl;
        }
    }    
    return 0;
}

每个线程并行地增加相同的成员变量“mMoney”，看似是一条线，但是这个“nMoney++”实际上被转换为3条机器命令：
·在Register中加载”mMoney”变量
·增加register的值
·用register的值更新“mMoney”变量
在这种情况下，一个增量将被忽略，因为不是增加mMoney变量，而是增加不同的寄存器，“mMoney”变量的值被覆盖。

5.使用mutex处理竞争条件

为了处理多线程环境中的竞争条件，我们需要mutex互斥锁，在修改或读取共享数据前，需要对数据加锁，修改完成后，对数据进行解锁。在c++11的线程库中，mutexes在< mutexe >头文件中，表示互斥体的类是std::mutex。
就上面的问题进行处理，Wallet类提供了在Wallet中增加money的方法，并且在不同的线程中使用相同的Wallet对象，所以我们需要对Wallet的addMoney()方法加锁。在增加Wallet中的money前加锁，并且在离开该函数前解锁，看代码：Wallet类内部维护money，并提供函数addMoney()，这个成员函数首先获取一个锁，然后给wallet对象的money增加指定的数额，最后释放锁。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <mutex>
class Wallet {    
        int mMoney;    
        std::mutex mutex;public:
    Wallet() : mMoney(0) { }    
    int getMoney() { return mMoney;}    
    void addMoney(int money) {
        mutex.lock();        
        for (int i = 0; i < money; i++) {
            mMoney++;
        }
        mutex.unlock();
    }
};int testMultithreadWallet() {
    Wallet walletObject;    
    std::vector<std::thread> threads;    
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        threads.push_back(std::thread(&Wallet::addMoney, &walletObject, 1000));
    }    for (int i = 0; i < threads.size(); i++) {
        threads.at(i).join();
    }    
    return walletObject.getMoney();
}int main() {    
        int val = 0;    
        for (int k = 0; k < 1000; k++) {        
        if ((val = testMultithreadWallet()) != 5000) {            
        std::cout << "Error at count= " << k << " money in wallet" << val << std::endl;
        }
    }    
    return 0;
}

这种情况保证了钱包里的钱不会出现少于5000的情况，因为addMoney()中的互斥锁确保了只有在一个线程修改完成money后，另一个线程才能对其进行修改，但是，如果我们忘记在函数结束后对锁进行释放会怎么样？这种情况下，一个线程将退出而不释放锁，其他线程将保持等待，为了避免这种情况，我们应当使用std::lock_guard，这是一个template class，它为mutex实现RALL，它将mutex包裹在其对象内，并将附加的mutex锁定在其构造函数中，当其析构函数被调用时，它将释放互斥体。

class Wallet {  
    int mMoney;  
    std::mutex mutex; public:
  Wallet() : mMoney(0) { }  int getMoney() { return mMoney;}  
  void addMoney(int money) {    
  std::lock_guard<std::mutex> lockGuard(mutex);    
  for (int i = 0; i < mMoney; ++i) {      
  //如果在此处发生异常，lockGuadr的析构函数将会因为堆栈展开而被调用
      mMoney++;      
      //一旦函数退出，那么lockGuard对象的析构函数将被调用，在析构函数中mutex会被释放
    }

  }
};

6.条件变量

　　条件变量是一种用于在2个线程之间进行信令的事件，一个线程可以等待它得到信号，其他的线程可以给它发信号。在c++11中，条件变量需要头文件< condition_variable>，同时，条件变量还需要一个mutex锁。
　　条件变量是如何运行的：
　　·线程1调用等待条件变量，内部获取mutex互斥锁并检查是否满足条件；
　　·如果没有，则释放锁，并等待条件变量得到发出的信号(线程被阻塞)，条件变量的wait()函数以原子方式提供这两个操作；
　　·另一个线程，如线程2，当满足条件时，向条件变量发信号；
　　·一旦线程1正等待其恢复的条件变量发出信号，线程1便获取互斥锁，并检查与条件变量相关关联的条件是否满足，或者是否是一个上级调用，如果多个线程正在等待，那么notify_one将只解锁一个线程；
　　·如果是一个上级调用，那么它再次调用wait()函数。
　　条件变量的主要成员函数：
Wait()
它使得当前线程阻塞，直到条件变量得到信号或发生虚假唤醒；
它原子性地释放附加的mutex，阻塞当前线程，并将其添加到等待当前条件变量对象的线程列表中，当某线程在同样的条件变量上调用notify_one() 或者 notify_all()，线程将被解除阻塞；
这种行为也可能是虚假的，因此，解除阻塞后，需要再次检查条件；
一个回调函数会传给该函数，调用它来检查其是否是虚假调用，还是确实满足了真实条件；
当线程解除阻塞后，wait()函数获取mutex锁，并检查条件是否满足，如果条件不满足，则再次原子性地释放附加的mutex，阻塞当前线程，并将其添加到等待当前条件变量对象的线程列表中。
notify_one()
如果所有线程都在等待相同的条件变量对象，那么notify_one会取消阻塞其中一个等待线程。
notify_all()
如果所有线程都在等待相同的条件变量对象，那么notify_all会取消阻塞所有的等待线程。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <functional>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
using namespace std::placeholders;
class Application {    
    std::mutex m_mutex;    
    std::condition_variable m_condVar;    
    bool m_bDataLoaded;public:
  Application() {
        m_bDataLoaded = false;
    }    
    void loadData() {        
            //使该线程sleep 1秒
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));        
        std::cout << "Loading Data from XML" << std::endl;        //锁定数据
        std::lock_guard<std::mutex> guard(m_mutex);        //flag设为true，表明数据已加载
        m_bDataLoaded = true;        //通知条件变量
        m_condVar.notify_one();
    }    bool isDataLoaded() {        
             return m_bDataLoaded;
    }    void mainTask() {        
            std::cout << "Do some handshaking" << std::endl;        //获取锁
        std::unique_lock<std::mutex> mlock(m_mutex);        //开始等待条件变量得到信号
        //wait()将在内部释放锁，并使线程阻塞
        //一旦条件变量发出信号，则恢复线程并再次获取锁
        //然后检测条件是否满足，如果条件满足，则继续，否则再次进入wait
        m_condVar.wait(mlock, std::bind(&Application::isDataLoaded, this));        
        std::cout << "Do Processing On loaded Data" << std::endl;
    }
};int main() {
    Application app;    
    std::thread thread_1(&Application::mainTask, &app);    
    std::thread thread_2(&Application::loadData, &app);
    thread_2.join();
    thread_1.join();    return 0;
}

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