C++多线程基础笔记

内容导读

互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了C++多线程基础笔记，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含14881字，纯文字阅读大概需要22分钟。

内容图文

转载自：公众号《码农爱学习》

一.join & detach

??join和detach为最基本的用法，join可以使主线程（main函数）等待子线程（自定义的function_1函数）完成后再退出程序，而detach可以使子线程与主线程毫无关联的独立运行，当主线程执行完毕后直接退出程序，不管子线程是否执行完毕。
例：

运行结果：

附上例代码：

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

// 子线程函数
void function_1()
{
	for(int i=10; i>0; i--) // 循环10次输出
		cout << "=============Hello=============" << endl;
}

int main()
{
	thread t1(function_1);//线程开始

	//t1.join();//方式1：结合（等待其完成）
	t1.detach();//方式2：分离（使其自行运行）（cout未来得及输出完毕，主线程已结束）

	cout << "~~~~~~~~~~~World~~~~~~~~~~~" << endl;

	if (t1.joinable())
	{
		t1.join();
	}

	return 0;
}

二.try-catch异常捕获机制的使用

??join可以使某些比较重要的函数执行完毕后再退出，但当程序出现异常时，程序仍会直接退出，join没有起到应有的作用，这是可以通过try-catch异常捕获机制，结合join方法，使某些函数（子线程）在程序出现异常时也能先执行完毕再退出，例子如下，主线程通过OpenCV读取显示一张不存在的图片产生异常。
例：

运行结果：

??可以看出运行后产生了一个OpenCV Error，没能输出"主程序正常退出" ，但子线程在程序出现异常后依然可以继续执行完毕。

附上例代码：

#include<iostream>
#include<thread>
#include<opencv2/opencv.hpp>

// 子线程函数（假定该函数比较重要，无论如何都要执行完毕再退出程序）
void function_1()
{
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		std::cout << "========Hello=======" << i << std::endl;
	}
}

int main()
{
	std::thread t1(function_1);//t1线程开始运行

	try //【捕获异常的范围】
	{
		cv::Mat img = cv::imread("1.jpg");//读取一张不存在的图片，使下句的图片显示出现异常
		cv::imshow("===", img);//此处将出现异常！?错误?
		//出现异常会导致整个程序直接退出
		//捕获异常后，可以进行补救，如使t1子线程执行完毕。
	}
	catch (...)//捕获所有异常
	{
		std::cout << "catch..............." << std::endl;
		t1.join();//使子线程执行完毕
		throw;
	}

	t1.join();

	std::cout << "主程序正常退出" << std::endl;
	return 0;
}

三.通过类构造子线程 & ref方法传参

??C++开发中更常使用类作为子线程函数而不是单独的某个函数。
??注意一点在线程按引用传递参数时的写法，需要使用std::ref方法。
例：

运行结果：

附上例代码：

#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>

class Fctor
{
public:
    void operator()(std::string& msg)//按【引用】传递参数
    {
        std::cout << "from t1:" << msg << std::endl; 
            msg = "++++++++Hello+++++++++";//修改传入的参数（用于后面的主线程输出）
    }
};

int main()
{
    std::string s = "-----------World-----------";//待传入的参数（用于子线程输出）

    // 方式1a：这种方式会自动复制一份参数传进去
    //Fctor fct;
    //std::thread t1(fct,s);//t1线程开始运行

    // 方式1b：这种方式会自动复制一份参数传进去
    //std::thread t1((Fctor()), s);//t1线程开始运行

    // 方式2a：按引用传递
    Fctor fct;
    std::thread t1(fct, std::ref(s));//t1线程开始运行

    // 方式2b：按引用传递
    //std::thread t1((Fctor()), std::ref(s));

    t1.join();
    std::cout << "from main:" << s << std::endl;

    return 0;
}

四.mov方法传参 & 线程对象移动

??除了使用ref方法对子线程进行传参，还可以使用mov方法传参，此外mov还可以移动线程对象。
例：

运行结果：

附上例代码：

#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>

class Fctor
{
public:
    void operator()(std::string& msg)//按引用传递参数
    {
        std::cout << "from t1:" << msg << std::endl;
        msg = "++++++++++++Hello++++++++++";
    }
};

int main()
{
    std::string s = "----------------World---------------";
    std::cout << "Main_thread_ID:" << std::this_thread::get_id() << std::endl;//主线程ID


    std::thread t1((Fctor()), std::move(s));//子线程1(将字符串从主线程移动到子线程)
    std::cout << "Sub_thread1_ID" << t1.get_id() << std::endl;

    //线程对象只能被移动，不能被复制。
    std::thread t2 = std::move(t1);//子线程2（接管子线程1，此时子线程1为空？！）
    std::cout << "Sub_thread2_ID" << t2.get_id() << std::endl;
    //可以看到两个子线程的ID是相同的！

    t2.join();//等待子线程2结束

    //检测硬件并发特性(此句只是用来显示计算机支持的并发线程数量)
    std::cout << std::thread::hardware_concurrency() << std::endl;

    return 0;
}

五.mutex & lock_guard

??mutex即互斥量，可理解为一把锁，访问某些资源时先加锁，访问后解锁。
另一进程访问同一资源时，首先尝试加锁，如果锁处于未释放状态则无法加锁，需等待其它线程对锁的释放。
例：

运行结果：

??如果未使用加锁机制，两线程会互相争抢cout的使用权，从而导致输出混乱，注释掉mu.lock()与mu.unlock()后的输出结果如下：

??由于lock()与unlock()必须成对出现，为方便管理，出现了lock_guard，它可以对mutex进行管理，自动实现lock()与unlock()，原理是在其构造与析构中自动调用。另外，还可有附加参数。

修改上面的share_print为如下，可实现同样的效果。
例：

运行结果：

附上例代码：

void share_print(std::string msg, int id)
{
    std::lock_guard<std::mutex> guard(mu);
    std::cout << msg << id << std::endl;
}

下面的代码是将share_print封装到一个类中，并添加将输出信息同时保存到文件中的功能：
例：

运行结果：

附上例代码：

#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>
#include<mutex>
#include<fstream>

class LofFile
{
public:
    LofFile(){ f.open("log.txt"); }
    ~LofFile(){ f.close(); }

    void shared_print(std::string id, int value)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex);
        f << "from " << id << ":" << value << std::endl;//写入文件
        std::cout << "from " << id << ":" << value << std::endl;//输出
    }

private://受保护的成员
    std::mutex m_mutex;//锁
    std::ofstream f;//此时f完全在锁的保护下
};


void function_1(LofFile& log)
{
    for (int i = 0; i > -100; i--)
        log.shared_print("t1", i);
}

int main()//主线程
{
    LofFile log;
    std::thread t1(function_1,std::ref(log));//t1线程开始运行

    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        log.shared_print("main", i);
    }

    t1.join();

    return 0;
}

六.死锁 & adopt_lock

??当某个资源被两把以上的锁嵌套加锁，且锁的顺序不一致时，可能发生死锁。
??原因在于多个线程可能各自加了1把锁后，同时在等待对方释放剩余的锁。
??最简单的解决方法是：只要锁的顺序一致，就不会死锁。
例：

运行结果：

当程序比较复杂时，手动方法管理加锁顺序可能相当麻烦，这是就出现了adopt_lock参数来解决。

lock+lock_guard的adopt_lock参数自动避免死锁问题。

lock()可同时管理多个锁，顺序无影响，同时锁住多个锁，若不可，先释放，然后继续尝试。
lock_guard()的adopt_lock参数即抛弃lock操作，因为前面（必须）已加锁，只使用其自动unlock功能。
例：

运行结果：

附上例代码：

#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>
#include<mutex>
#include<fstream>

class LogFile
{
    std::mutex m_mutex;//锁1
    std::mutex m_mutex2;//锁2
    std::ofstream f;
public:
    LogFile()
    {
        f.open("log.txt");
    }
    void shared_print(std::string id, int value)
    {
        std::lock(m_mutex, m_mutex2);//lock()同时管理多个锁
		//adopt_lock即抛弃lock操作，因为上句已加锁
        std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex,std::adopt_lock);
		//在析构时自动unlock()
        std::lock_guard<std::mutex> locker2(m_mutex2, std::adopt_lock);
        std::cout << id << ":" << value << std::endl;
    }
    void shared_print2(std::string id, int value)
    {
        std::lock(m_mutex, m_mutex2);
        std::lock_guard<std::mutex> locker2(m_mutex2, std::adopt_lock);
        std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex, std::adopt_lock);
        std::cout << id << ":" << value << std::endl;
    }
};


void function_1(LogFile& log)
{
    for (int i = 0; i > -1000; i--)
        log.shared_print(std::string("from t1:"), i);
}

int main()//主线程
{
    LogFile log;
    std::thread t1(function_1, std::ref(log));//t1线程开始运行
    for (int i = 0; i < 1000; i++)
    {
        log.shared_print2(std::string("from main:"), i);
    }

    t1.join();

    return 0;
}

七.unique_lock

??unique_lock可完成lock_guard的功能，另外还有额外的参数，实现其它功能。

??unique_lock的defer_lock参数，即先不加锁，只是先绑定unique_lock与mutex，另外，可以随时进行加锁、解锁操作，某些情况下可提高效率（注意此时的加、解锁是通过unique_lock的成员函数.lock() 与 .unlock()实现的）。

??unique_lock还可以交换管理权（unique_lock可以被移动，lock_guard不可以）。

例：

??程序运行结果依然是主线程和子线程各自输出1000条信息以及将信息保存到txt文件中，和上篇中 “死锁 & adopt_lock” 的结果类似，这里不再展示。
附上例代码：

#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>
#include<mutex>
#include<fstream>

class LogFile
{
	std::mutex m_mutex;//锁
	std::ofstream f;
public:
	LogFile()
	{
		f.open("log.txt");
	}
	void shared_print(std::string id, int value)
	{
		std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex,std::defer_lock);//先不加锁
		//...此处代码不需要保护
		locker.lock();
		f << id << ":" << value << std::endl;//此处才是保护区
		std::cout << id << ":" << value << std::endl;
		locker.unlock();
		//...此处代码也不需要保护
		locker.lock();
		//以下可能又需要保护了

		//unique_lock可以被移动，lock_guard不可以
		std::unique_lock<std::mutex> locker2 = std::move(locker);
		//将unique_lock管理的lock交给新的unique_lock的管理
		//即将m_mutex与locker2绑定在一起！此时locker已无用
	}
};

void function_1(LogFile& log)
{
	for (int i = 0; i > -1000; i--)
		log.shared_print(std::string("from t1:"), i);
}

int main()//主线程
{
	LogFile log;
	std::thread t1(function_1, std::ref(log));//t1线程开始运行

	for (int i = 0; i < 1000; i++)
	{
		log.shared_print(std::string("from main:"), i);
	}

	t1.join();
	return 0;
}

八.call_once

??之前测试代码中，log.txt文件的创建（f.open(“log.txt”);）是在类的构造函数中的，如果没有使用到打印函数（shared_print()），则没必要创建该文件，若将其放入打印函数中，会被多次调用。

??这时，可以使用call_once()函数并配合once_flag标记，保证即使是多线程情况下，也只被执行一次。
例：

程序运行结果同上，不再展示。
附上例代码：

#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>
#include<mutex>
#include<fstream>

class LogFile
{
    std::mutex m_mutex;
    std::once_flag m_flag;//once_flag标记
    std::ofstream f;public:
    LogFile()
    {
        //f.open("log.txt");//不再需要！
    }
    //此种情况是：那个线程先要打印，则首次创建文件（都不需打印，则始终不创建文件）
    void shared_print(std::string id, int value)
    {
        std::call_once(m_flag, [&]() {f.open("log.txt"); });//call_once函数
        std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex);
        f << id << ":" << value << std::endl;
        std::cout << id << ":" << value << std::endl;
    }

};

void function_1(LogFile& log)
{
    for (int i = 0; i > -1000; i--)
        log.shared_print(std::string("from t1:"), i);
}
int main()//主线程
{
    LogFile log;
    std::thread t1(function_1, std::ref(log));//t1线程开始运行

    for (int i = 0; i < 1000; i++)
    {
        log.shared_print(std::string("from main:"), i);
    }

    t1.join();

    return 0;
}

九.condition_varible & wait

??首先引入一个“ 生产者消费者问题 ”，有两个线程，线程A产生数据（生产者），线程B获取数据（消费者），线程A在产生数据时，线程B不能过来取，因而线程B的执行必须要依赖线程A。

??下面的程序通过对队列结构中存取和取出数据，模拟生产和消费。采用加锁机制，保证两个子线程互斥，并且消费者线程使用循环查询机制，不断检查是否有可用数据。
例：

运行结果：

??程序输出的中间过程会有些停顿，且消费者线程（function_2）存在多次查询无果的情况，注意上面程序的function_2中还特别加入了线程休眠等待（sleep_for），如果不加，function_2会不停的进行无效的查询访问，效率极低，而加入的等待时间过程，又会使function_2不能及时获取数据。

??针对上面的问题，就需要引入条件变量 condition_varible，配合.wait()与.notify_one()成员函数，即可通过“ 等待通知 ”的形式使function_2在恰当的时间获得数据，避免无谓低效的查询。
修改后程序如下:

运行结果：

??此时function_2就可以在functon_1产生数据后及时获取了，并且没有了无效的查询过程。
附上例代码：

#include<deque>
#include<functional>
#include<iostream>
#include<fstream>
#include<thread>
#include<string>
#include<mutex>
#include<condition_variable>

using namespace std;
deque<int> q;//整形队列
mutex mu;//互斥对象->锁
condition_variable cond;//【条件变量】避免线程无谓的循环

void function_1()
{
    int count = 10;
    while (count > 0)
    {
        unique_lock<mutex> locker1(mu);//使用unique_lock来管理锁
        q.push_front(count);//队列中写数据（队前插入）10 9 8...1 0
        locker1.unlock();//提前解锁
        //cond.notify_one();//激活一个等待这个条件的线程
        cond.notify_all();//激活所有类似线程2的等待线程
        this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));//此线程休息1秒
        count--;
    }

}

void function_2()
{
    int data = 0;
    while (data != 1)
    {
        unique_lock<mutex> locker2(mu);//互斥对象mu被线程2锁住，线程不会在锁住的情况下休眠
        cond.wait(locker2, []() {return !q.empty(); });//将线程2休眠直到线程1的notify_one（）才将其激活
        //上句第一个参数是解锁加锁，第2个参数为【lambda函数】，防止伪激活
        data = q.back();//队列中读数据
        q.pop_back();//队列中删除数据（队尾删除）
        locker2.unlock();//提前解锁
        cout << "t2 got a value from t1:" << data << endl;
    }
}

int main()//主线程
{
	thread t1(function_1);
	thread t2(function_2);
	t1.join();
	t2.join();
	return 0;
}

十.future & async

??std::async为一函数模板，用来启动一异步任务（即自动创建一线程并执行对应的线程入口函数），之后返回一个std::future对象（对象中包含线程函数的返回结果），最后通过future对象的.get()成员函数来获取结果。(如果只是简单地通过引用的方式在子线程和主线程间传递结果，需要额外的加锁机制！)

??.get()成员函数等待子线程返回结果，否则一直等待（注：只能get一次，多次调用则报异常）与之类似的.wait()成员函数只等待结果，不获取结果（类似于join()）

??如果.get()和 .wait()都不用，主程序结束时仍等待子线程

??future：理解为提供了一种访问异步操作结果的机制，即需要等待一段时间（线程执行完毕）主线程才能从子线程中拿到结果

??额外向async()传递一个参数（std::launch枚举类型)，实现其它功能

??std::launch::deffered：表示线程入口函数被延迟到get()或wait()时才执行（但仍是主线程，没有新线程！），若没有get()或wait()则始终不执行子线程

??std::launch::async：立即创建一个新线程

??std::launch::async|std::launch::deffered：根据系统资源消耗情况，可能立即创建新线程，也可能延迟
例：

运行结果：

附上例代码：

#include<iostream>
#include<fstream>
#include<thread>
#include<string>
#include<mutex>
#include<future>//引入future头文件
using namespace std;

int factorial(int N)//阶乘函数
{
    cout << "子线程启动>>>>>  线程ID: " << this_thread::get_id() << endl;
    int res = 1;
    for (int i = N; i > 1; i--)
        res *= i;
    chrono::milliseconds dura(3000);//定义一个3秒的时间
    this_thread::sleep_for(dura);//模拟长时间计算

    //cout << "Result is:" << res << endl;
    cout << "子线程结束<<<<<  线程ID: " << this_thread::get_id() << endl;
    return res;

}

int main()//主线程
{
    cout << "主线程启动>>>>>>>>>>>>>  线程ID: " << this_thread::get_id() << endl;
    int x = 0;
    //future<int> fu = async(launch::async | launch::deferred, factorial, 4);//【两者方式均可能】
    future<int> fu = async(launch::async, factorial, 4);//【强制创建一个线程】
    //future<int> fu = async(launch::deferred, factorial, 4);//【延时执行】
    //future<int> fu = async(factorial, 4);//【不加参数等价于async|deferred】
    cout << "continue..." << endl;
    cout << "continue..." << endl;
    cout << "continue..." << endl;
    x = fu.get();//等待子线程结果
    cout << "Result is:" << x << endl;
    cout << "主线程启动<<<<<<<<<<<<<  线程ID: " <<this_thread::get_id()<<endl;
    return 0;
}

十一.promise

??std::promise类模板（事先约定）可以在某个线程中给它赋值，然后在其它线程中，将该值取出
例：

运行结果：

附上例代码：

#include<iostream>
#include<fstream>
#include<thread>
#include<string>
#include<mutex>
#include<future>
using namespace std;

int factorial(future<int>&f)//阶乘函数
{
    int res = 1;
    int N = f.get();
    for (int i = N; i > 1; i--)
        res *= i;
    cout << "Result is:" << res << endl;
    return res;

}

int main()//主线程
{
    int x;
    promise<int> p;//主线程中的int变量(“约定型”变量)
    future<int> f = p.get_future();//该变量值的值约定从“将来”future获得
    cout << "pass the promise-future 'p' to factorial()..." << endl;
    future<int> fu = async(launch::async, factorial, ref(f));//按引用传递f(一个未来的约定)

    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(3));//此线程休息3秒(模拟未来的时间)
    p.set_value(4);//（约定时间到）为其赋值，此时子线程factorial才能获得参数值

    x = fu.get();//获得子线程factorial的计算结果
    cout << "Get from child thread:" << x << endl;

    return 0;	
}

内容总结

以上是互联网集市为您收集整理的C++多线程基础笔记全部内容，希望文章能够帮你解决C++多线程基础笔记所遇到的程序开发问题。 如果觉得互联网集市技术教程内容还不错，欢迎将互联网集市网站推荐给程序员好友。

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