C++11多線程編程的方法

本篇內容介紹了“C++11多線程編程的方法”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

1.在C++11中創建新線程

　　在每個c++應用程序中，都有一個默認的主線程，即main函數，在c++11中，我們可以通過創建std::thread類的對象來創建其他線程，每個std :: thread對象都可以與一個線程相關聯，只需包含頭文件< thread>。可以使用std :: thread對象附加一個回調，當這個新線程啟動時，它將被執行。 這些回調可以為函數指針、函數對象、Lambda函數。
　　線程對象可通過std::thread thObj(< CALLBACK>)來創建，新線程將在創建新對象后立即開始，并且將與已啟動的線程并行執行傳遞的回調。此外，任何線程可以通過在該線程的對象上調用join()函數來等待另一個線程退出。
　　使用函數指針創建線程：

//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;
}

　　使用函數對象創建線程：

#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})

每個std::thread對象都有一個相關聯的id，std::thread::get_id() —-成員函數中給出對應線程對象的id;
std::this_thread::get_id()—-給出當前線程的id，如果std::thread對象沒有關聯的線程，get_id()將返回默認構造的std::thread::id對象：“not any thread”，std::thread::id也可以表示id。

2.joining和detaching 線程

線程一旦啟動，另一個線程可以通過調用std::thread對象上調用join()函數等待這個線程執行完畢:

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

例如，主線程啟動10個線程，啟動完畢后，main函數等待他們執行完畢，join完所有線程后，main函數繼續執行：

#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可以將線程與線程對象分離,讓線程作為后臺線程執行,當前線程也不會阻塞了.但是detach之后就無法在和線程發生聯系了.如果線程執行函數使用了臨時變量可能會出現問題,線程調用了detach在后臺運行,臨時變量可能已經銷毀,那么線程會訪問已經被銷毀的變量，需要在std::thread對象中調用std::detach()函數:

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

調用detach()后，std::thread對象不再與實際執行線程相關聯，在線程句柄上調用detach() 和 join()要小心.

3.將參數傳遞給線程

要將參數傳遞給線程的可關聯對象或函數，只需將參數傳遞給std::thread構造函數，默認情況下，所有的參數都將復制到新線程的內部存儲中。
給線程傳遞參數：

#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;
}

　　給線程傳遞引用：

#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;
}

輸出結果為：
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接受參數作為引用，但是并沒有改變main中x的值，在線程引用外它是不可見的。這是因為線程函數threadCallback中的x是引用復制在新線程的堆棧中的臨時值，使用std::ref可進行修改：

#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;
}

輸出結果為：
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
指定一個類的成員函數的指針作為線程函數，將指針傳遞給成員函數作為回調函數，并將指針指向對象作為第二個參數：

#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.線程間數據的共享與競爭條件

在多線程間的數據共享很簡單，但是在程序中的這種數據共享可能會引起問題，其中一種便是競爭條件。當兩個或多個線程并行執行一組操作，訪問相同的內存位置，此時，它們中的一個或多個線程會修改內存位置中的數據，這可能會導致一些意外的結果，這就是競爭條件。競爭條件通常較難發現并重現，因為它們并不總是出現，只有當兩個或多個線程執行操作的相對順序導致意外結果時，它們才會發生。
例如創建5個線程，這些線程共享類Wallet的一個對象，使用addMoney()成員函數并行添加100元。所以，如果最初錢包中的錢是0，那么在所有線程的競爭執行完畢后，錢包中的錢應該是500，但是，由于所有線程同時修改共享數據，在某些情況下，錢包中的錢可能遠小于500。
測試如下：

#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;
}

每個線程并行地增加相同的成員變量“mMoney”，看似是一條線，但是這個“nMoney++”實際上被轉換為3條機器命令：
·在Register中加載”mMoney”變量
·增加register的值
·用register的值更新“mMoney”變量
在這種情況下，一個增量將被忽略，因為不是增加mMoney變量，而是增加不同的寄存器，“mMoney”變量的值被覆蓋。

5.使用mutex處理競爭條件

為了處理多線程環境中的競爭條件，我們需要mutex互斥鎖，在修改或讀取共享數據前，需要對數據加鎖，修改完成后，對數據進行解鎖。在c++11的線程庫中，mutexes在< mutexe >頭文件中，表示互斥體的類是std::mutex。
就上面的問題進行處理，Wallet類提供了在Wallet中增加money的方法，并且在不同的線程中使用相同的Wallet對象，所以我們需要對Wallet的addMoney()方法加鎖。在增加Wallet中的money前加鎖，并且在離開該函數前解鎖，看代碼：Wallet類內部維護money，并提供函數addMoney()，這個成員函數首先獲取一個鎖，然后給wallet對象的money增加指定的數額，最后釋放鎖。

#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;
}

這種情況保證了錢包里的錢不會出現少于5000的情況，因為addMoney()中的互斥鎖確保了只有在一個線程修改完成money后，另一個線程才能對其進行修改，但是，如果我們忘記在函數結束后對鎖進行釋放會怎么樣？這種情況下，一個線程將退出而不釋放鎖，其他線程將保持等待，為了避免這種情況，我們應當使用std::lock_guard，這是一個template class，它為mutex實現RALL，它將mutex包裹在其對象內，并將附加的mutex鎖定在其構造函數中，當其析構函數被調用時，它將釋放互斥體。

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) {      
  //如果在此處發生異常，lockGuadr的析構函數將會因為堆棧展開而被調用
      mMoney++;      
      //一旦函數退出，那么lockGuard對象的析構函數將被調用，在析構函數中mutex會被釋放
    }

  }
};

6.條件變量

　　條件變量是一種用于在2個線程之間進行信令的事件，一個線程可以等待它得到信號，其他的線程可以給它發信號。在c++11中，條件變量需要頭文件< condition_variable>，同時，條件變量還需要一個mutex鎖。
　　條件變量是如何運行的：
　　·線程1調用等待條件變量，內部獲取mutex互斥鎖并檢查是否滿足條件；
　　·如果沒有，則釋放鎖，并等待條件變量得到發出的信號(線程被阻塞)，條件變量的wait()函數以原子方式提供這兩個操作；
　　·另一個線程，如線程2，當滿足條件時，向條件變量發信號；
　　·一旦線程1正等待其恢復的條件變量發出信號，線程1便獲取互斥鎖，并檢查與條件變量相關關聯的條件是否滿足，或者是否是一個上級調用，如果多個線程正在等待，那么notify_one將只解鎖一個線程；
　　·如果是一個上級調用，那么它再次調用wait()函數。
　　條件變量的主要成員函數：
Wait()
它使得當前線程阻塞，直到條件變量得到信號或發生虛假喚醒；
它原子性地釋放附加的mutex，阻塞當前線程，并將其添加到等待當前條件變量對象的線程列表中，當某線程在同樣的條件變量上調用notify_one() 或者 notify_all()，線程將被解除阻塞；
這種行為也可能是虛假的，因此，解除阻塞后，需要再次檢查條件；
一個回調函數會傳給該函數，調用它來檢查其是否是虛假調用，還是確實滿足了真實條件；
當線程解除阻塞后，wait()函數獲取mutex鎖，并檢查條件是否滿足，如果條件不滿足，則再次原子性地釋放附加的mutex，阻塞當前線程，并將其添加到等待當前條件變量對象的線程列表中。
notify_one()
如果所有線程都在等待相同的條件變量對象，那么notify_one會取消阻塞其中一個等待線程。
notify_all()
如果所有線程都在等待相同的條件變量對象，那么notify_all會取消阻塞所有的等待線程。

#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() {        
            //使該線程sleep 1秒
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));        
        std::cout << "Loading Data from XML" << std::endl;        //鎖定數據
        std::lock_guard<std::mutex> guard(m_mutex);        //flag設為true，表明數據已加載
        m_bDataLoaded = true;        //通知條件變量
        m_condVar.notify_one();
    }    bool isDataLoaded() {        
             return m_bDataLoaded;
    }    void mainTask() {        
            std::cout << "Do some handshaking" << std::endl;        //獲取鎖
        std::unique_lock<std::mutex> mlock(m_mutex);        //開始等待條件變量得到信號
        //wait()將在內部釋放鎖，并使線程阻塞
        //一旦條件變量發出信號，則恢復線程并再次獲取鎖
        //然后檢測條件是否滿足，如果條件滿足，則繼續，否則再次進入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;
}

“C++11多線程編程的方法”的內容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業相關的知識可以關注億速云網站，小編將為大家輸出更多高質量的實用文章！