多线程与多进程

xiaoxiao2021-03-25 76

优缺点对比：多线程开销小，但难于管理，且不能用于分布式系统；多进程开销大，操作系统会进行一部分管理，因此用户管理就比较简单，可用于分布式；通常多线程和多进程结合使用。参考资料：http://edu.csdn.net/course/detail/2303/35894?auto_start=1 [TOC] 代码实例：

1 最简单的多线程

#include <iostream> #include <thread> void function_1() { std::cout <<"www.oxox.work"<<std::endl; } int main() //主线程 { std::thread t1(function_1); //创建并初始化一个线程，且线程t1创建完之后就开始运行 //t1.detach(); //主线程和t1线程互不影响，detach可以使主线程不等待t1线程结束即可运行，这样会使得程序的运行结果没有内容输出，因为主线程还没有等到t1输出内容就结束了。线程被deatch之后就不能再join了，如果再join，编译不会报错，但是运行会报错 if(t1.joinable()) //如果执行了t1.detach()，t1.joinable()为false { t1.join(); //主线程将等待t1线程结束后再运行 } return 0; }

2 主线程和子线程交叉运行

#include <iostream> #include <thread> using namespace std; void function_1() { cout <<"www.oxox.work"<<endl; } class Factor { public: void operator()() { for(int i = 0; i > -100; --i) { cout << "from t1: " << i << endl; } } }; int main() //主线程 { //std::thread t1(function_1); //使用函数创建并初始化一个线程，且线程开始运行 Factor fct; std::thread t1(fct); //使用函数对象创建并初始化一个线程 try { for(int i = 0; i < 100; ++i) { cout << "from main: " << i << endl; } } catch(...) //上面的for循环属于主线程，如果上面抛出异常，但是没有try catch，主线程终止，t1线程也终止了，这样是非线程安全的。添加try catch之后，即使主线程异常，t1线程也能正常执行结束 { t1.join(); //主线程将等待t1线程结束后再运行 throw; } return 0; }

3 主线程和子线程之间实现内存共享

4 线程移动与线程ID

#include <iostream> #include <thread> #include <string> using namespace std; void function_1() { cout <<"www.oxox.work"<<endl; } class Factor { public: void operator()(string &s) { cout << "from t1: " << s << endl; s = "I love XuHuanDaXue"; } }; int main() //主线程 { string s("I love www.oxox.work"); Factor fct; cout << std::this_thread::get_id() << endl; //获取主线程ID，每个线程都有个ID std::thread t1(fct, std::move(s)); //此处s被移动，移动操作比拷贝要高效，比引用要安全 std::thread t2=std::move(t1); //线程对象只能被移动，但不能被拷贝，所以必须使用std::move() cout << t2.get_id() << endl; //获取t2线程ID //t1.join(); t2.join(); //t1被移动到t2，t1已经是空的了，所以得使用t2.join() cout << "from main: " << s.c_str() << endl; cout << std::thread::hardware_concurrency() <<endl; //检测CPU能支持的最大线程数，如果用户创建的线程数超过了CPU能支持的，反而会引起性能下降 return 0; }

5 线程安全

下面的代码是非线程安全的，主线程和t1线程将竞争资源cout，只要竞争到资源就随时可以将内容写入到输出流cout，使得输出看起来是下面这样的：

from t1: 0 from t1: -1 from t1: -2 from main: 0 from main: 1 from main: 2 from main: 3 from main: 4 from main: 5 from main: 6 from main: 7 from t1: -3 from t1: -4 from t1: -5

#include <iostream> #include <thread> #include <string> using namespace std; void function_1() { for(int i = 0; i > -100; --i) { cout << "from t1: " << i << endl; } } int main() //主线程 { std::thread t1(function_1); for(int i = 0; i < 100; ++i) { cout << "from main: " << i << endl; } t1.join(); //主线程将等待t1线程结束后再运行 return 0; }

可以加mutex锁，有线程正在使用cout，其他线程就不能使用，这样cout在当前程序中是线程安全的，能使得输出是有序的，是下面这样的：

from main: 0 from t1: 0 from main: 1 from t1: -1 from main: 2 from t1: -2 from main: 3 from t1: -3 from main: 4 from t1: -4 from main: 5 from t1: -5

#include <iostream> #include <thread> #include <string> #include <mutex> using namespace std; std::mutex mtx; void shared_print(string s, int id) { mtx.lock(); cout << s.c_str() << id << endl; mtx.unlock(); } void function_1() { for(int i = 0; i > -100; --i) { shared_print("from t1: ",i); } } int main() //主线程 { std::thread t1(function_1); for(int i = 0; i < 100; ++i) { shared_print("from main: ",i); } t1.join(); //主线程将等待t1线程结束后再运行 return 0; }

上面的代码中，当shared_print函数中cout那一行抛出异常时，mtx.unclock()不会被执行，mtx将被永远地锁住。这时可以使用std::lock_guard来保证mtx会被解锁。shared_print函数修改如下：

void shared_print(string s, int id) { std::lock_guard<std::mutex> locker(mtx); //lock_guard对象创建时会自动对mtx加锁，离开作用域被析构时，mtx会被自动解锁，这样即使cout这行发生异常，mtx也能被解锁了 cout << s.c_str() << id << endl; }

但是上面的代码仍然不是安全的，因为cout是个全局变量，并没有完全在mtx的保护下，其他线程仍然可以在不加锁的情况下使用cout。为了完整地保护资源，必须使资源和互斥对象进行绑定。代码如下：

上面的代码将资源std::ofstream f和互斥对象std::mutex m_mutex定义在LogFile类中，类外的线程不可访问资源f，使用类对象的shared_print函数的线程也能保证资源f必定有一个互斥对象m_mutex来保护。简单地讲，就是资源和互斥对象必定成对地出现在同一个作用域中，因此资源一定会受互斥对象保护。注意，这里的代码使用了资源std::ofstream f，而不是cout，是因为cout是全局的资源。

6 避免死锁

死锁是指两个线程互相锁住，互相等待释放，却不能释放，下面的代码发生了死锁，程序的输出可能是这样的（程序被暂停在某处，并没有成功执行完毕）：

from t1: 0 from main: 0 from t1: -1 from main: 1

#include <iostream> #include <thread> #include <string> #include <mutex> #include <fstream> using namespace std; class LofFile { public: LofFile() { f.open("log.txt")； } void shared_print(string s, int id) //函数被t1线程调用 { std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex); std::lock_guard<std::mutex> locker2(m_mutex2); cout << s << id << endl; //为了更直观得看到结果，这里改成cout } void shared_print2(string s, int id) //函数被主线程调用 { std::lock_guard<std::mutex> locker2(m_mutex2); std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex); cout << s << id << endl; //为了更直观得看到结果，这里改成cout } //如果t1线程执行到锁住m_mutex时，主线程正好执行到锁住m_mutex2，t1线程继续执行下一语句发现m_mutex2被锁住了，于是等待m_mutex2被解锁，而主线程也继续执行下一语句发现m_mutex被锁住了，于是等待m_mutex被解锁，两个线程相互等待，这样就发生了死锁，程序就一直暂停在哪里 private: std::mutex m_mutex; std::mutex m_mutex2; std::ofstream f; }； void function_1(LofFile& log) { for(int i = 0; i > -100; --i) { log.shared_print("from t1: ",i); } } int main() //主线程 { LofFile log; std::thread t1(function_1, std::ref(log)); for(int i = 0; i < 100; ++i) { log.shared_print2("from main: ",i); } t1.join(); //主线程将等待t1线程结束后再运行 return 0; }

上面的代码中，m_mutex和m_mutex2在两个线程中加锁的顺序是相反的，如果将语句的顺序改成一致就不会发生死锁。在C++标准库中提供了std::lock，是规范的处理死锁问题的方法，把上面的两个函数改成下面这样：

void shared_print(string s, int id) //函数被t1线程调用 { std::lock(m_mutex, m_mutex2); //std::lock可以指定锁的顺序，参数为lock1,lock2,...,lockn，它的参数个数是不固定的，有多少个锁就可以使用多少个参数 std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex, std::adopt_lock); //这里添加std::adopt_lock是告知locker，m_mutex已经被锁住，locker要做的只是获得m_mutex的所有权，然后在析构时将其解锁即可 std::lock_guard<std::mutex> locker2(m_mutex2, std::adopt_lock); cout << s << id << endl; //为了更直观得看到结果，这里改成cout } void shared_print2(string s, int id) //函数被主线程调用 { 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); cout << s << id << endl; //为了更直观得看到结果，这里改成cout }

上面的代码中，即使locker和locker2的顺序是相反的，但是m_mutex和m_mutex2加锁的顺序是相同的，因为std::lock指定了加锁的顺序。为了避免程序设计中出现死锁，可以遵循以下几条规则：（1）使用一个mutex即可满足要求的场合，绝不使用两个mutex；（2）如果某个作用域中已经使用了一个mutex，那么要小心该作用域中的函数调用，因为该函数调用中可能包括其他mutex；（3）无法避免地需要使用两个以上mutex时，尽量使用std::lock指定锁的顺序，但是在某些极端情况下std::lock无法使用，就要小心地保证加锁的语句顺序。

7 Unique Lock和call_once

#include <iostream> #include <thread> #include <string> #include <mutex> #include <fstream> using namespace std; class LogFile { public: LogFile() { f.open("log.txt")； } void shared_print(string s, int id) { //std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex); //lock_guard对象在构造时自动m_mutex加锁，在析构时自动对m_mutex解锁，用户无法自由控制何时加锁解锁 //std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex); //unique_lock可以起到与lock_guard一样的功能，默认情况下是构造自动加锁，析构自动解锁 std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex, std::defer_lock); //还可以使用defer_lock告知locker，不要在构造时自动加锁m_mutex locker.lock(); //然后用户自行给m_mutex加锁 f << s << id << endl; locker.unlock(); //还可以在需要的时候自行解锁，这样m_mutex只锁住了上面一行语句，之后的操作就没有被m_mutex锁住 //代码块... locker.lock(); //接下来还可以随意地自行加锁和解锁 //代码块... locker.unlock(); //lock_guard和unique_lock都不能被复制，但是unique_lock可被移动。当unique_lock被移动时，m_mutex的控制权也从一个unique_lock转移到另一个unique_lock。另外，unique_lock的代价比lock_guard高，所以使用lock_guard即可满足要求的场合就使用lock_guard //std::unique_lock<std::mutex> locker2 = std::move(locker); } private: std::mutex m_mutex; std::ofstream f; }； void function_1(LogFile& log) { for(int i = 0; i > -100; --i) { log.shared_print("from t1: ",i); } } int main() //主线程 { LogFile log; std::thread t1(function_1, std::ref(log)); for(int i = 0; i < 100; ++i) { log.shared_print("from main: ",i); } t1.join(); //主线程将等待t1线程结束后再运行 return 0; }

上面使用的所有示例代码中，LogFile类都是在构建函数中打开log.txt文件，如果我们想只在调用shared_print函数的时候才打开文件，可以做如下修改：

class LogFile { public: LogFile() { //f.open("log.txt")； } void shared_print(string s, int id) { //if(!f.is_open()) //这段代码不是线程安全的，因为两个线程可能同时执行到f.open处，两次打开文件，将会运行报错 //{ // f.open("log.txt")； //} //if(!f.is_open()) //这段代码仍然不是线程安全的，假设a线程尚未执行完f.open，b线程正好检测到文件未打开，然后发现m_mutex_fopen被锁住，于是等待，接着a线程打开了文件，解锁m_mutex_fopen，此时b线程发现解锁了，立即执行f.open，这样就两次打开文件，将会运行报错 //{ // std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex_fopen, std::defer_lock); // f.open("log.txt")； //} //{ //这段代码是线程安全的，但是这存在一个性能上的问题，即每次函数调用都要对m_mutex_fopen进行加锁和解锁，这会无意义地消耗计算机资源 // std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex_fopen, std::defer_lock); // if(!f.is_open()) f.open("log.txt")； //} std::call_once(m_flag, [&](){f.open("log.txt")}) //这行代码能确保后面的lambda函数只被一个线程调用一次，是C++标准库的推荐用法 std::unique_lock<std::mutex> locker(m_mutex, std::defer_lock); f << s << id << endl; } private: std::mutex m_mutex; std::mutex m_mutex_fopen; std::once_flag m_flag; std::ofstream f; }；

8 条件变量

条件变量适用于a线程需要等待b线程触发某种条件，a线程才能执行的场合

#include <iostream> #include <thread> #include <string> #include <mutex> #include <fstream> #include <deque> #include <functional> #include <condition_variable> using namespace std; std::deque<int> q; std::mutex mu; std::condition_variable cond; void function_1() { int count = 10; while (count > 0) { std::unique_lock<mutex> locker(mu); q.push_front(count); locker.unlock(); cond.notify_one(); //激活条件变量cond cond.notify_all(); //notify_one只能激活一个正在等待cond被激活的线程 //notify_all可以激活所有正在等待cond被激活的线程 std::this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1)); count--; } } void function_2() { int data = 0; while (data != 1) { std::unique_lock<mutex> locker(mu); /*if (!q.empty()) { data = q.back(); q.pop_back(); locker.unlock(); cout << "t2 got a value from t1: " << data << endl; } else //当q为空时，一直在执行while循环，不断查询，直到q非空，这样是很低效的，应该使用条件变量 { locker.unlock(); }*/ //等待线程1调用notify_one()激活条件变量bond，只有cond被激活，才可以 //执行后面的语句。此处locker作为参数传递给wait之前已经加锁了，一个 //线程不会在锁住的情况下休眠，所以wait()先将mu解锁，使其休眠，然后 //又加锁。由于需要重复加解锁，所以此处得用unique_lock，而不能使用 //lock_guard //某些情况下，线程可能被自己激活，这称为伪激活，给条件变量添加一个 //lambda函数作为增加的一个条件，满足条件才可以被激活 cond.wait(locker, [](){return !q.empty(); }); data = q.back(); q.pop_back(); locker.unlock(); cout << "t2 got a value from t1: " << data << endl; } } int main() { std::thread t1(function_1); std::thread t2(function_2); t1.join(); t2.join(); return 0; }

9 Future, Promise和async()

std::future类可以从子线程获取返回值，然后在父线程中使用

#include <iostream> #include <thread> #include <string> #include <mutex> #include <fstream> #include <future> using namespace std; int factorial(int N) { int res = 1; for (int i = N; i > 1; --i) { res *= i; } cout << "Result is: "<< res << endl; return res; } int main() { int x; //std::thread t1(factorial,4); //t1.join(); //有时希望将子线程的执行结果返回给父线程，可以修改上面的代码将x的引用 //传给t1，通过内存共享的方式来实现，但是更简单的方式是使用future对象， //取名future的含义是，这个对象可以从未来获取某个值，即等待未来子线程执 //行结束时返回的值。实际上async并不一定会创建子线程，如果明确指定第一 //个参数为std::launch::deferred，将不创建子线程，此时factorial()调用将被延期， //等到get()执行后，就在父线程中调用factorial。如果参数为std::launch::async， //就是明确指定创建子线程。async的参数默认是std::launch::async | std::launch::deferred， //意思是是否创建子线程将取决于实现（没有弄明白取决于什么实现？） //std::future<int> fu = std::async(factorial, 4); std::future<int> fu = std::async(std::launch::async | std::launch::deferred, factorial, 4); x = fu.get(); //get将会等待子线程结束，并取回子线程返回的结果，get只能被调用一次，调用两次程序会运行报错 return 0; }

std::promise可以从父线程获取值到子线程中使用

#include <iostream> #include <thread> #include <string> #include <mutex> #include <fstream> #include <future> using namespace std; int factorial(std::future<int>& f) { int N = f.get(); int res = 1; for (int i = N; i > 1; --i) { res *= i; } cout << "Result is: "<< res << endl; return res; } int main() { int x; std::promise<int> p; std::future<int> f = p.get_future(); std::future<int> fu = std::async(std::launch::async, factorial, std::ref(f)); p.set_value(4); //这里必须进行set_value，否则在factorial函数的int N = f.get()这行会抛出std::future_error::broken_promise的异常 x = fu.get(); cout << "Get from child: " << x << endl; return 0; }

如果需要创建多个都调用factorial线程，每个线程都需要一个f参数，但是std::future不能被拷贝，此时可以使用std::shared_future，它可以被拷贝，可将int factorial(std::future& f)改为int factorial(std::shared_future f)，同时main函数做如下修改：

int main() { int x; std::promise<int> p; std::future<int> f = p.get_future(); std::shared_future<int> sf = f.share(); std::future<int> fu = std::async(std::launch::async, factorial, sf); std::future<int> fu2 = std::async(std::launch::async, factorial, sf); std::future<int> fu3 = std::async(std::launch::async, factorial, sf); p.set_value(4); return 0; }

10 创建线程的不同方式

#include <iostream> #include <thread> #include <string> #include <mutex> #include <fstream> #include <future> using namespace std; class A { public: void f(int x, char c){} int operator()(int N){return 0;} }; void foo(int x){} int main() { A a; std::thread t1(a, 6); //传递a的拷贝给子线程 std::thread t2(std::ref(a), 6); //传递a的引用给子线程 std::thread t3(std::move(a), 6); //从主线程移动a到子线程，a在主线程中不再有效 std::thread t4(A(), 6); //传递临时创建的a对象给子线程 std::thread t5(foo, 6); //传递自定义的函数给子线程 std::thread t6([](int x){return x*x;}, 6); //传递lambda函数给子线程 std::thread t7(&A::f, a, 8, 'w'); //传递a的拷贝的成员函数f给子线程 std::thread t8(&A::f, &a, 8, 'w'); //传递a的地址的成员函数f给子线程 std::async(std::launch::async, a, 6); //上面的八种方式同样适用于async return 0; }

11 Packaged_task

#include <iostream> #include <thread> #include <string> #include <mutex> #include <fstream> #include <future> #include <deque> using namespace std; int factorial(int N) { int res = 1; for (int i = N; i > 1; --i) { res *= i; } cout << "Result is: "<< res << endl; return res; } std::deque<std::packaged_task<int()> > task_q; std::mutex mu; std::condition_variable cond; void thread_1() { std::packged_task<int()> t; { std::unique_lock<std::mutex> locker(mu); cond.wait(locker, []{return !task_q.empty();}); t = std::move(task_q.front()); } t(); } int main() { std::thread t1(thread_1); std::packaged_task<int()> t(std::bind(factorial, 6)); //packaged_task只能传递一个参数，如果还要传递参数6，可以使用bind函数 std::future<int> ret = t.get_future(); //获得与packaged_task共享状态相关联的future对象 { std::unique_lock<std::mutex> locker(mu); task_q.push_back(std::move(t)); } cond.notify_one(); int value = ret.get(); //等待任务完成并获取结果 t1.join() //这两句可以实现和packaged_task类似的功能，但是packaged_task特点是可以将一个可调用对象关联到一个future变量，然后异步获取可调用对象的返回结果 //auto t = std::bind(factorial, 6); //t(); //std::future<int> fu = std::async(factorial, 4); x = fu.get(); std::packaged_task<int(int)> t(factorial); //以一个可调用对象为参数，并且可以异步获取该调用对象的返回结果 std::future<int> ret = t.get_future(); //获得与packaged_task共享状态相关联的future对象 int value = ret.get(); //等待任务完成并获取结果 }

12 时间约束

可以让某个类对象休眠一段时间，或者到达指定的时间点才停止休眠

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