C++ 線程的使用
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C++11 之前，C++ 語言沒有對并發(fā)編程提供語言級(jí)別的支持，這使得我們在編寫可移植的并發(fā)程序時(shí)，存在諸多的不便?，F(xiàn)在 C++11 中增加了線程以及線程相關(guān)的類，很方便地支持了并發(fā)編程，使得編寫的多線程程序的可移植性得到了很大的提高。
C++11 中提供的線程類叫做 std::thread，基于這個(gè)類創(chuàng)建一個(gè)新的線程非常的簡單，只需要提供線程函數(shù)或者函數(shù)對象即可，并且可以同時(shí)指定線程函數(shù)的參數(shù)。我們首先來了解一下這個(gè)類提供的一些常用 API：
1. 構(gòu)造函數(shù)
// ①
thread() noexcept;
// ②
thread( thread&& other ) noexcept;
// ③
template< class Function, class... Args >
explicit thread( Function&& f, Args&&... args );
// ④
thread( const thread& ) = delete;
構(gòu)造函數(shù)①：默認(rèn)構(gòu)造函，構(gòu)造一個(gè)線程對象，在這個(gè)線程中不執(zhí)行任何處理動(dòng)作
構(gòu)造函數(shù)②：移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)，將 other 的線程所有權(quán)轉(zhuǎn)移給新的 thread 對象。之后 other 不再表示執(zhí)行線程。
構(gòu)造函數(shù)③：創(chuàng)建線程對象，并在該線程中執(zhí)行函數(shù) f 中的業(yè)務(wù)邏輯，args 是要傳遞給函數(shù) f 的參數(shù)
任務(wù)函數(shù) f 的可選類型有很多，具體如下：
普通函數(shù)，類成員函數(shù)，匿名函數(shù)，仿函數(shù)（這些都是可調(diào)用對象類型） 可以是可調(diào)用對象包裝器類型，也可以是使用綁定器綁定之后得到的類型（仿函數(shù)）
構(gòu)造函數(shù)④：使用 =delete 顯示刪除拷貝構(gòu)造，不允許線程對象之間的拷貝
2. 公共成員函數(shù)
2.1 get_id()
應(yīng)用程序啟動(dòng)之后默認(rèn)只有一個(gè)線程，這個(gè)線程一般稱之為主線程或父線程，通過線程類創(chuàng)建出的線程一般稱之為子線程，每個(gè)被創(chuàng)建出的線程實(shí)例都對應(yīng)一個(gè)線程 ID，這個(gè) ID 是唯一的，可以通過這個(gè) ID 來區(qū)分和識(shí)別各個(gè)已經(jīng)存在的線程實(shí)例，這個(gè)獲取線程 ID 的函數(shù)叫做 get_id()，函數(shù)原型如下：
std::thread::id get_id() const noexcept;
示例程序如下：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
using namespace std;
void func(int num, string str)
{
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
cout << "子線程: i = " << i << "num: "
<< num << ", str: " << str << endl;
}
}
void func1()
{
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
cout << "子線程: i = " << i << endl;
}
}
int main()
{
cout << "主線程的線程ID: " << this_thread::get_id() << endl;
thread t(func, 520, "i love you");
thread t1(func1);
cout << "線程t 的線程ID: " << t.get_id() << endl;
cout << "線程t1的線程ID: " << t1.get_id() << endl;
}
thread t(func, 520, "i love you");：創(chuàng)建了子線程對象 t，func() 函數(shù)會(huì)在這個(gè)子線程中運(yùn)行
func()是一個(gè)回調(diào)函數(shù)，線程啟動(dòng)之后就會(huì)執(zhí)行這個(gè)任務(wù)函數(shù)，程序猿只需要實(shí)現(xiàn)即可func()的參數(shù)是通過 thread 的參數(shù)進(jìn)行傳遞的，520,i love you都是調(diào)用func()需要的實(shí)參線程類的構(gòu)造函數(shù)③ 是一個(gè)變參函數(shù)，因此無需擔(dān)心線程任務(wù)函數(shù)的參數(shù)個(gè)數(shù)問題 任務(wù)函數(shù) func()一般返回值指定為void，因?yàn)樽泳€程在調(diào)用這個(gè)函數(shù)的時(shí)候不會(huì)處理其返回值
thread t1(func1);：子線程對象 t1 中的任務(wù)函數(shù)func1()，沒有參數(shù)，因此在線程構(gòu)造函數(shù)中就無需指定了 通過線程對象調(diào)用get_id()就可以知道這個(gè)子線程的線程 ID 了，t.get_id()，t1.get_id()。基于命名空間 this_thread得到當(dāng)前線程的線程 ID
在上面的示例程序中有一個(gè) bug，在主線程中依次創(chuàng)建出兩個(gè)子線程，打印兩個(gè)子線程的線程 ID，最后主線程執(zhí)行完畢就退出了（主線程就是執(zhí)行 main () 函數(shù)的那個(gè)線程）。默認(rèn)情況下，主線程銷毀時(shí)會(huì)將與其關(guān)聯(lián)的兩個(gè)子線程也一并銷毀，但是這時(shí)有可能子線程中的任務(wù)還沒有執(zhí)行完畢，最后也就得不到我們想要的結(jié)果了。
當(dāng)啟動(dòng)了一個(gè)線程（創(chuàng)建了一個(gè) thread 對象）之后，在這個(gè)線程結(jié)束的時(shí)候（std::terminate ()），我們?nèi)绾稳セ厥站€程所使用的資源呢？thread 庫給我們兩種選擇：
加入式（join()） 分離式（detach()）
另外，我們必須要在線程對象銷毀之前在二者之間作出選擇，否則程序運(yùn)行期間就會(huì)有 bug 產(chǎn)生。
2.2 join()
join() 字面意思是連接一個(gè)線程，意味著主動(dòng)地等待線程的終止（線程阻塞）。在某個(gè)線程中通過子線程對象調(diào)用 join() 函數(shù)，調(diào)用這個(gè)函數(shù)的線程被阻塞，但是子線程對象中的任務(wù)函數(shù)會(huì)繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完畢之后 join() 會(huì)清理當(dāng)前子線程中的相關(guān)資源然后返回，同時(shí)，調(diào)用該函數(shù)的線程解除阻塞繼續(xù)向下執(zhí)行。
再次強(qiáng)調(diào)，我們一定要搞清楚這個(gè)函數(shù)阻塞的是哪一個(gè)線程，函數(shù)在哪個(gè)線程中被執(zhí)行，那么函數(shù)就阻塞哪個(gè)線程。該函數(shù)的函數(shù)原型如下：
void join();
有了這樣一個(gè)線程阻塞函數(shù)之后，就可以解決在上面測試程序中的 bug 了，如果要阻塞主線程的執(zhí)行，只需要在主線程中通過子線程對象調(diào)用這個(gè)方法即可，當(dāng)調(diào)用這個(gè)方法的子線程對象中的任務(wù)函數(shù)執(zhí)行完畢之后，主線程的阻塞也就隨之解除了。修改之后的示例代碼如下：
int main()
{
cout << "主線程的線程ID: " << this_thread::get_id() << endl;
thread t(func, 520, "i love you");
thread t1(func1);
cout << "線程t 的線程ID: " << t.get_id() << endl;
cout << "線程t1的線程ID: " << t1.get_id() << endl;
t.join();
t1.join();
}
當(dāng)主線程運(yùn)行到第八行 t.join();，根據(jù)子線程對象 t 的任務(wù)函數(shù) func() 的執(zhí)行情況，主線程會(huì)做如下處理：
如果任務(wù)函數(shù) func()還沒執(zhí)行完畢，主線程阻塞，直到任務(wù)執(zhí)行完畢，主線程解除阻塞，繼續(xù)向下運(yùn)行如果任務(wù)函數(shù) func()已經(jīng)執(zhí)行完畢，主線程不會(huì)阻塞，繼續(xù)向下運(yùn)行
同樣，第 9 行的代碼亦如此。
為了更好的理解
join()的使用，再來給大家舉一個(gè)例子，場景如下：
程序中一共有三個(gè)線程，其中兩個(gè)子線程負(fù)責(zé)分段下載同一個(gè)文件，下載完畢之后，由主線程對這個(gè)文件進(jìn)行下一步處理，那么示例程序就應(yīng)該這么寫：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
using namespace std;
void download1()
{
// 模擬下載, 總共耗時(shí)500ms，阻塞線程500ms
this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(500));
cout << "子線程1: " << this_thread::get_id() << ", 找到歷史正文...." << endl;
}
void download2()
{
// 模擬下載, 總共耗時(shí)300ms，阻塞線程300ms
this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(300));
cout << "子線程2: " << this_thread::get_id() << ", 找到歷史正文...." << endl;
}
void doSomething()
{
cout << "集齊歷史正文, 呼叫羅賓...." << endl;
cout << "歷史正文解析中...." << endl;
cout << "起航，前往拉夫德爾...." << endl;
cout << "找到OnePiece, 成為海賊王, 哈哈哈!!!" << endl;
cout << "若干年后，草帽全員卒...." << endl;
cout << "大海賊時(shí)代再次被開啟...." << endl;
}
int main()
{
thread t1(download1);
thread t2(download2);
// 阻塞主線程，等待所有子線程任務(wù)執(zhí)行完畢再繼續(xù)向下執(zhí)行
t1.join();
t2.join();
doSomething();
}
示例程序輸出的結(jié)果：
子線程2: 72540, 找到歷史正文....
子線程1: 79776, 找到歷史正文....
集齊歷史正文, 呼叫羅賓....
歷史正文解析中....
起航，前往拉夫德爾....
找到OnePiece, 成為海賊王, 哈哈哈!!!
若干年后，草帽全員卒....
大海賊時(shí)代再次被開啟....
在上面示例程序中最核心的處理是在主線程調(diào)用 doSomething(); 之前在第 35、36行通過子線程對象調(diào)用了 join() 方法，這樣就能夠保證兩個(gè)子線程的任務(wù)都執(zhí)行完畢了，也就是文件內(nèi)容已經(jīng)全部下載完成，主線程再對文件進(jìn)行后續(xù)處理，如果子線程的文件沒有下載完畢，主線程就去處理文件，很顯然從邏輯上講是有問題的。
2.3 detach()
detach() 函數(shù)的作用是進(jìn)行線程分離，分離主線程和創(chuàng)建出的子線程。在線程分離之后，主線程退出也會(huì)一并銷毀創(chuàng)建出的所有子線程，在主線程退出之前，它可以脫離主線程繼續(xù)獨(dú)立的運(yùn)行，任務(wù)執(zhí)行完畢之后，這個(gè)子線程會(huì)自動(dòng)釋放自己占用的系統(tǒng)資源。（其實(shí)就是孩子翅膀硬了，和家里斷絕關(guān)系，自己外出闖蕩了，如果家里被誅九族還是會(huì)受牽連）。該函數(shù)函數(shù)原型如下：
void detach();
線程分離函數(shù)沒有參數(shù)也沒有返回值，只需要在線程成功之后，通過線程對象調(diào)用該函數(shù)即可，繼續(xù)將上面的測試程序修改一下：
int main()
{
cout << "主線程的線程ID: " << this_thread::get_id() << endl;
thread t(func, 520, "i love you");
thread t1(func1);
cout << "線程t 的線程ID: " << t.get_id() << endl;
cout << "線程t1的線程ID: " << t1.get_id() << endl;
t.detach();
t1.detach();
// 讓主線程休眠, 等待子線程執(zhí)行完畢
this_thread::sleep_for(chrono::seconds(5));
}
注意事項(xiàng)：線程分離函數(shù)
detach ()不會(huì)阻塞線程，子線程和主線程分離之后，在主線程中就不能再對這個(gè)子線程做任何控制了，比如：通過join ()阻塞主線程等待子線程中的任務(wù)執(zhí)行完畢，或者調(diào)用get_id ()獲取子線程的線程 ID。有利就有弊，魚和熊掌不可兼得，建議使用join ()。
2.5 joinable()
joinable() 函數(shù)用于判斷主線程和子線程是否處理關(guān)聯(lián)（連接）狀態(tài)，一般情況下，二者之間的關(guān)系處于關(guān)聯(lián)狀態(tài)，該函數(shù)返回一個(gè)布爾類型：
返回值為 true：主線程和子線程之間有關(guān)聯(lián)（連接）關(guān)系 返回值為 false：主線程和子線程之間沒有關(guān)聯(lián)（連接）關(guān)系
bool joinable() const noexcept;
示例代碼如下：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
using namespace std;
void foo()
{
this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}
int main()
{
thread t;
cout << "before starting, joinable: " << t.joinable() << endl;
t = thread(foo);
cout << "after starting, joinable: " << t.joinable() << endl;
t.join();
cout << "after joining, joinable: " << t.joinable() << endl;
thread t1(foo);
cout << "after starting, joinable: " << t1.joinable() << endl;
t1.detach();
cout << "after detaching, joinable: " << t1.joinable() << endl;
}
示例代碼打印的結(jié)果如下：
before starting, joinable: 0
after starting, joinable: 1
after joining, joinable: 0
after starting, joinable: 1
after detaching, joinable: 0
基于示例代碼打印的結(jié)果可以得到以下結(jié)論：
在創(chuàng)建的子線程對象的時(shí)候，如果沒有指定任務(wù)函數(shù)，那么子線程不會(huì)啟動(dòng)，主線程和這個(gè)子線程也不會(huì)進(jìn)行連接 在創(chuàng)建的子線程對象的時(shí)候，如果指定了任務(wù)函數(shù)，子線程啟動(dòng)并執(zhí)行任務(wù)，主線程和這個(gè)子線程自動(dòng)連接成功 子線程調(diào)用了 detach()函數(shù)之后，父子線程分離，同時(shí)二者的連接斷開，調(diào)用joinable()返回false在子線程調(diào)用了 join()函數(shù)，子線程中的任務(wù)函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行，直到任務(wù)處理完畢，這時(shí)join()會(huì)清理（回收）當(dāng)前子線程的相關(guān)資源，所以這個(gè)子線程和主線程的連接也就斷開了，因此，調(diào)用join()之后再調(diào)用joinable()會(huì)返回false。
2.6 operator=
線程中的資源是不能被復(fù)制的，因此通過 = 操作符進(jìn)行賦值操作最終并不會(huì)得到兩個(gè)完全相同的對象。
// move (1)
thread& operator= (thread&& other) noexcept;
// copy [deleted] (2)
thread& operator= (const other&) = delete;
通過以上 = 操作符的重載聲明可以得知：
如果 other 是一個(gè)右值，會(huì)進(jìn)行資源所有權(quán)的轉(zhuǎn)移 如果 other 不是右值，禁止拷貝，該函數(shù)被顯示刪除（=delete），不可用
3. 靜態(tài)函數(shù)
thread 線程類還提供了一個(gè)靜態(tài)方法，用于獲取當(dāng)前計(jì)算機(jī)的 CPU 核心數(shù)，根據(jù)這個(gè)結(jié)果在程序中創(chuàng)建出數(shù)量相等的線程，每個(gè)線程獨(dú)自占有一個(gè) CPU 核心，這些線程就不用分時(shí)復(fù)用 CPU 時(shí)間片，此時(shí)程序的并發(fā)效率是最高的。
static unsigned hardware_concurrency() noexcept;
示例代碼如下：
#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
int main()
{
int num = thread::hardware_concurrency();
cout << "CPU number: " << num << endl;
}
4. C 線程庫
C 語言提供的線程庫不論在 window 還是 Linux 操作系統(tǒng)中都是可以使用的，看明白了這些 C 語言中的線程函數(shù)之后會(huì)發(fā)現(xiàn)它和上面的 C++ 線程類使用很類似（其實(shí)就是基于面向?qū)ο蟮乃枷脒M(jìn)行了封裝），但 C++ 的線程類用起來更簡單一些，鏈接奉上，感興趣的可以一看。
鏈接：https://subingwen.com/cpp/thread/
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