Linux多线程服务器编程基础 C++ 11 并发编程学习

前言

C++中在以往版本中不支持线程。需要使用pthread之类的使用线程。如果能够使用C++自身的线程则可以使程序变得统一简洁。

头文件

  • <thread> 该头文件包含有std::thread类与std::this_thread类。以及管理线程的函数。是实现线程的主要文件。
  • <atomic> 该头文件包含有std::atomic和std::atomic_flag类,是实现原子操作的的主要文件。
  • <mutex> 包含互斥相关的类与函数。
  • <future> 包含有future类及相关的函数。
  • <condition_variable> 包含有条件变量的类。

以上就是c++11 的线程部分了。虽然有关pthread与c++ thread有很多争议,但是对于跨平台的c++ thread来说,似乎更为标准一些。

推荐此书来学习c++11的线程。
https://www.gitbook.com/book/chenxiaowei/cpp_concurrency_in_action/details

hello world 线程

简单认识thread类

#include <thread>

using namespace std;
// 下面这个函数是一个我们想要运行的线程任务
void hello()
{
    printf("%s", "hello\n");
}
// 使用thread类,传入一个函数作为我们的初始任务。不仅如此,还能传入类等其他的参数
int main()
{
    thread t(hello);
    // 使用join来等待结束
    t.join();
}

除了join来等待结束,可以使用detach来不等待线程结束。

struct func
{
  int& i;
  func(int& i_) : i(i_) {}
  void operator() ()
  {
    for (unsigned j=0 ; j<1000000 ; ++j)
    {
      do_something(i);           // 1. 潜在访问隐患:悬空引用
    }
  }
};

void oops()
{
  int some_local_state=0;
  func my_func(some_local_state);
  std::thread my_thread(my_func);
  my_thread.detach();          // 2. 不等待线程结束
}                              // 3. 新线程可能还在运行

这个例子中,已经决定不等待线程结束(使用了detach()②),所以当oops()函数执行完成时③,新线程中的函数可能还在运行。如果线程还在运行,它就会去调用do_something(i)函数①,这时就会访问已经销毁的变量。如同一个单线程程序——允许在函数完成后继续持有局部变量的指针或引用;当然,这从来就不是一个好主意——这种情况发生时,错误并不明显,会使多线程更容易出错。

如何等待线程结束?

如果需要等待线程,相关的std::thread实例需要使用join()。清单2.1中,将my_thread.detach()替换为my_thread.join(),就可以确保局部变量在线程完成后,才被销毁。在这种情况下,因为原始线程在其生命周期中并没有做什么事,使得用一个独立的线程去执行函数变得收益甚微,但在实际编程中,原始线程要么有自己的工作要做;要么会启动多个子线程来做一些有用的工作,并等待这些线程结束。

join()是简单粗暴的等待线程完成或不等待。当你需要对等待中的线程有更灵活的控制时,比如,看一下某个线程是否结束,或者只等待一段时间(超过时间就判定为超时)。想要做到这些,你需要使用其他机制来完成,比如条件变量和期待(futures)。调用join()的行为,还清理了线程相关的存储部分,这样std::thread对象将不再与已经完成的线程有任何关联。这意味着,只能对一个线程使用一次join();一旦已经使用过join(),std::thread对象就不能再次加入了,当对其使用joinable()时,将返回false。

向线程传递参数

void f(int i, std::string const& s);
std::thread t(f, 3, "hello");

代码创建了一个调用f(3, "hello")的线程。注意,函数f需要一个std::string对象作为第二个参数,但这里使用的是字符串的字面值,也就是char const *类型。之后,在线程的上下文中完成字面值向std::string对象的转化。

需要注意的是,构造函数无视函数期待的参数类型,并盲目的拷贝已提供的变量。

例如一:

void f(int i,std::string const& s);
void oops(int some_param)
{
  char buffer[1024]; // 1
  sprintf(buffer, "%i",some_param);
  std::thread t(f,3,buffer); // 2
  t.detach();
}

这种情况下,buffer②是一个指针变量,指向本地变量,然后本地变量通过buffer传递到新线程中②。并且,函数有很有可能会在字面值转化成std::string对象之前崩溃(oops),从而导致一些未定义的行为。并且想要依赖隐式转换将字面值转换为函数期待的std::string对象,但因std::thread的构造函数会复制提供的变量,就只复制了没有转换成期望类型的字符串字面值。
解决方案就是在传递到std::thread构造函数之前就将字面值转化为std::string对象:

void f(int i,std::string const& s);
void not_oops(int some_param)
{
  char buffer[1024];
  sprintf(buffer,"%i",some_param);
  std::thread t(f,3,std::string(buffer));  // 使用std::string,避免悬垂指针
  t.detach();
}

例如二:
还可能遇到相反的情况:期望传递一个引用,但整个对象被复制了。当线程更新一个引用传递的数据结构时,这种情况就可能发生,比如:

void update_data_for_widget(widget_id w,widget_data& data); // 1
void oops_again(widget_id w)
{
  widget_data data;
  std::thread t(update_data_for_widget,w,data); // 2
  display_status();
  t.join();
  process_widget_data(data); // 3
}

使用互斥

C++中通过实例化std::mutex创建互斥量,通过调用成员函数lock()进行上锁,unlock()进行解锁。不过,不推荐实践中直接去调用成员函数,因为调用成员函数就意味着,必须记住在每个函数出口都要去调用unlock(),也包括异常的情况。C++标准库为互斥量提供了一个RAII语法的模板类std::lock_guard,其会在构造的时候提供已锁的互斥量,并在析构的时候进行解锁,从而保证了一个已锁的互斥量总是会被正确的解锁。下面的程序清单中,展示了如何在多线程程序中,使用std::mutex构造的std::lock_guard实例,对一个列表进行访问保护。std::mutex和std::lock_guard都在<mutex>头文件中声明。

#include <list>
#include <mutex>
#include <algorithm>

std::list<int> some_list;    // 1
std::mutex some_mutex;    // 2

void add_to_list(int new_value)
{
  std::lock_guard<std::mutex> guard(some_mutex);    // 3
  some_list.push_back(new_value);
}

bool list_contains(int value_to_find)
{
  std::lock_guard<std::mutex> guard(some_mutex);    // 4
  return std::find(some_list.begin(),some_list.end(),value_to_find) != some_list.end();
}

当其中一个成员函数返回的是保护数据的指针或引用时,会破坏对数据的保护。具有访问能力的指针或引用可以访问(并可能修改)被保护的数据,而不会被互斥锁限制。互斥量保护的数据需要对接口的设计相当谨慎,要确保互斥量能锁住任何对保护数据的访问,并且不留后门。

使用锁

试想有一个玩具,这个玩具由两部分组成,必须拿到这两个部分,才能够玩。例如,一个玩具鼓,需要一个鼓锤和一个鼓才能玩。现在有两个小孩,他们都很喜欢玩这个玩具。当其中一个孩子拿到了鼓和鼓锤时,那就可以尽情的玩耍了。当另一孩子想要玩,他就得等待另一孩子玩完才行。再试想,鼓和鼓锤被放在不同的玩具箱里,并且两个孩子在同一时间里都想要去敲鼓。之后,他们就去玩具箱里面找这个鼓。其中一个找到了鼓,并且另外一个找到了鼓锤。现在问题就来了,除非其中一个孩子决定让另一个先玩,他可以把自己的那部分给另外一个孩子;但当他们都紧握着自己所有的部分而不给予,那么这个鼓谁都没法玩。

很幸运,C++标准库有办法解决这个问题,std::lock——可以一次性锁住多个(两个以上)的互斥量,并且没有副作用(死锁风险)。

如何避免死锁?

  • 避免嵌套锁
    第一个建议往往是最简单的:一个线程已获得一个锁时,再别去获取第二个。如果能坚持这个建议,因为每个线程只持有一个锁,锁上就不会产生死锁。

  • 使用固定顺序获取锁
    当硬性条件要求你获取两个以上(包括两个)的锁,并且不能使用std::lock单独操作来获取它们;那么最好在每个线程上,用固定的顺序获取它们获取它们(锁)。

同步等待

假设你在旅游,而且正在一辆在夜间运行的火车上。在夜间,如何在正确的站点下车呢?一种方法是整晚都要醒着,然后注意到了哪一站。这样,你就不会错过你要到达的站点,但是这样会让你感到很疲倦。另外,你可以看一下时间表,估计一下火车到达目的地的时间,然后在一个稍早的时间点上设置闹铃,然后你就可以安心的睡会了。这个方法听起来也很不错,也没有错过你要下车的站点,但是当火车晚点的时候,你就要被过早的叫醒了。当然,闹钟的电池也可能会没电了,并导致你睡过站。理想的方式是,无论是早或晚,只要当火车到站的时候,有人或其他东西能把你唤醒,就好了。

C++标准库对条件变量有两套实现:std::condition_variable和std::condition_variable_any。这两个实现都包含在<condition_variable>头文件的声明中。两者都需要与一个互斥量一起才能工作(互斥量是为了同步);前者仅限于与std::mutex一起工作,而后者可以和任何满足最低标准的互斥量一起工作,从而加上了_any的后缀。因为std::condition_variable_any更加通用,这就可能从体积、性能,以及系统资源的使用方面产生额外的开销,所以std::condition_variable一般作为首选的类型,当对灵活性有硬性要求时,我们才会去考虑std::condition_variable_any。

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