cpp多线程（二）——对线程的控制和锁的概念

这篇文章是笔者学习cpp多线程操作的第二篇笔记，没有阅读过第一篇的读者可以移步此处：

Cpp多线程（一）-CSDN博客

如果读者发现我的文章里有问题，欢迎交流哈！
 

一、如何控制线程呢？

c++11在std::this_thread名称空间（显然，这是一个嵌套在大名称空间里的小名称空间）内定义了一系列公共函数来管理线程。

1、get_id

获得当前线程id

2、yield

将当前线程时间片让渡给其他线程

3、sleep_until

当前线程休眠直到某个时间点

4、sleep_for

当前线程休眠一段时间

单纯看这些定义其实无法准确理解这些函数的意义。实践出真知，下面我们启动小实验来理解这些函数。

实验一：使用get_id
#include <iostream>
#include <thread>

void func1(void)
{
	std::thread::id thread1_id=std::this_thread::get_id();
	std::cout<<thread1_id<<std::endl;
}

int main(void)
{
	std::thread thread1(func1);
	thread1.join();
	std::thread::id mainthread_id=std::this_thread::get_id();
	std::cout<<mainthread_id<<std::endl;
}

输出结果： 

2

1

由此我们发现：

1、get_id函数必须包含在名称空间std::this_thread里

2、get_id函数一般是没有参数的

3、查阅资料发现，get_id函数的返回值的具体类型由编译器定义。但是，任何编译器都定义了std::thread::id这一结构（类）来储存线程id。std::cout函数可以直接打印这一类型

4、在子线程和主线程中均可以使用get_id()

实验二：使用yield

yield函数的使用方法和get_id类似。

调用std::this_thread::yield()时，当前线程会主动放弃执行权，使得操作系统的线程调度器可以重新安排其他可运行的线程来执行。这样做可以提高多线程程序的执行效率和公平性。

需要注意的是，std::this_thread::yield()只是一个建议，具体的线程调度行为取决于操作系统和调度器的实现。在某些情况下，调度器可能会忽略该建议，继续让当前线程执行。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <windows.h>

void func1(void)
{
	std::this_thread::yield();
	while(true)
	{
		std::this_thread::yield();
		std::cout<<"thread1"<<std::endl;
		Sleep(1000);
	}
}

void func2(void)
{
	while(true)
	{
		std::cout<<"thread2"<<std::endl;
		Sleep(1000);
	}	
}



int main(void)
{
	std::thread thread1(func1);
	std::thread thread2(func2);
	thread1.join();
	thread2.join();	
}

输出结果：

thread1thread2

thread2
thread1
thread2thread1

......

可以看到，由于yield的作用，从第二次打印开始，thread2往往比thread1能够先进行打印。而如果注释掉std::this_thread::yield()，那么由于thread1比thread2先定义，thread1往往比thread2先打印。

实验三：使用sleep_for

下面的程序，主线程打印1 2 3，子线程打印4 5 6。为了让打印的数字是有顺序的，使用sleep_for函数让子线程暂停1秒，等待主线程的打印结束。（当然，现实中写程序肯定不会这么设计，我只是在呈现一种最简单的情况）

注意，这里使用了std::chorno::seconds，这是定义在chrono库中的一个类，用于表示时间。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>

void func1(void)
{
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
	for(int i=4;i<=6;i++)
		std::cout<<i<<std::endl;
}

int main(void)
{
	std::thread thread1(func1);
	for (int i=1;i<=3;i++)
		std::cout<<i<<std::endl;
	thread1.join();
}

输出结果：

1

2

3

4

5

6

由此我们发现：

1、sleep_for()函数的参数可以是std::chrono::seconds类型，也可以是chrono库中其他时间类型

2、sleep_for()函数没有返回参数

二、互斥锁mutex

1、为什么引入锁这个概念？

先看这段两线程轮流打印的代码：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <windows.h>

void func1(void)
{
	while(true)
	{
		std::cout<<"thread1"<<std::endl;
		Sleep(1000);
	}
}

void func2(void)
{
	while(true)
	{
		std::cout<<"thread2"<<std::endl;
		Sleep(1000);
	}	
}

int main(void)
{
	std::thread thread1(func1);
	std::thread thread2(func2);
	thread1.join();
	thread2.join();	
}

正如我们之前所展示的那样，由于thread1和thread2轮流占用std::cout这一输出流对象，导致输出结果并不是我们想象的那样规整：

thread1

thread2

thread1

thread2

而是会出现这样的情况

thread1thread2

thread1

thread2

所以，我们引入mutex互斥锁这一概念。通过mutex锁的操作，使当thread1使用输出流对象时，把输出流对象锁住。这样，thread2将不被允许使用输出流对象。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <windows.h>
#include <mutex>

std::mutex mtx;

void func1(void)
{
	while(true)
	{
		mtx.lock();
		std::cout<<"thread1"<<std::endl;
		Sleep(1000);
		mtx.unlock();
	}
}

void func2(void)
{
	while(true)
	{
		mtx.lock();
		std::cout<<"thread2"<<std::endl;
		Sleep(1000);
		mtx.unlock();
	}	
}

int main(void)
{
	std::thread thread1(func1);
	std::thread thread2(func2);
	thread1.join();
	thread2.join();	
}

读者可以自行验证上面这段代码，输出结果将非常规整，不会出现上面那种情况。这就使锁所产生的效果。

2、如何理解锁的概念？

如果把内存比作一个个小房间，那么各个线程就要在各个房间里存取数据。如果两个线程同时存取数据，可能会造成一些错误。所以，当线程1在这个房间里存储数据时，就需要把这个房间锁住。线程2若要使用这个房间的数据，就要在外面等待。（具体的方式有线程阻塞，停止执行，即互斥锁；也有循环等待直到锁被打开，即自旋锁）

3、C++如何定义锁？

c++11的mutex库中定义了std::mutex类，作为操作锁的句柄，用来管理锁的各种行为。mutex类的具体实现对用户封闭，下面只介绍一些对外的接口（API）。了解这些接口（包括mutex的构造函数和公有函数）即可实现锁的操作。

--实例化锁对象

通常把锁对象实例化为全局变量：

#include <mutex>
//mutex类被定义在mutex中

std::mutex mtx;

void func()
{}

int main()
{}

--最简单的上锁和解锁

对mtx使用lock()方法，可以实现上锁操作。使用unlock()方法，可以解锁

假若线程1运行的是func函数，value是定义在全局的变量。

int value=0;
std::mutex mtx;


void func()
{
    mtx.lock();
    value+=1;
    mtx.unlock();
}

那么，在func1访问改写value变量前，添加mtx.lock()语句可以对value变量上锁；此时只有线程1可以访问value，确保了数据安全。改写完毕，使用mtx.unlock()解锁。

可以形象地理解mtx.lock()——这句话就好像给线程1一大把锁和钥匙，线程1要访问哪些变量（特指别的线程也可以访问地公共变量），就在访问时加一把锁，直到访问完成，才把它解开。在此期间，如果线程2也要访问这个变量，就会被暂停.直到线程1处理完毕，线程2才能被唤醒继续执行。

所以，锁这个类写的非常智能，优先拿到锁的线程要访问哪些对象，就把哪些对象锁住。

mtx.lock();
//这中间出现的变量，资源全部被锁保护，别人不许碰！！！
mtx.unlock();
//这之后出现的变量，就不一定是当前线程优先访问了！！！

注意，解锁是非常重要的。试想，你使用一个房间后不解锁，直接翻窗走了（额，有点滑稽。但如果一个函数结束了，就是这样，直接消失），那么这个房间就一直锁住了，别人没有钥匙，不能用了。

--不同线程存在竞争关系
#include <iostream>
#include <thread>
#include <windows.h>
#include <mutex>

std::mutex mtx;

void func1(void)
{
	while(true)
	{
		mtx.lock();
		std::cout<<"thread1"<<std::endl;
		Sleep(1000);
		mtx.unlock();
	}
}

void func2(void)
{
	while(true)
	{
		mtx.lock();
		std::cout<<"thread2"<<std::endl;
		Sleep(1000);
		mtx.unlock();
	}	
}

int main(void)
{
	std::thread thread2(func2);
	std::thread thread1(func1);
	thread1.join();
	thread2.join();	
}

还是刚刚这一段代码，我们交换线程1和2的注册顺序。发现输出结果就变成了

thread2

thread1

thread2

......

这是由于thread2先注册，可以先抢夺锁的资源，拿到锁后，过河拆桥。不让thread1访问输出流对象了！（当然，thread2访问完毕后，还是要按照规则去唤醒thread1，所以第二个执行的必须是thread1线程）

4、其他方式实现锁

这里介绍mutex库中一个模板类——std::lock_guard。顾名思义，这个类模板实例化后能像保安一样帮我锁门开门（太形象了！）

把mtx.lock()出现的位置使用下面的语句：

std::lock_guard<std::mutex> mylock_guard(mtr);

这是在使用类的构造函数，参数是之前定义的锁mtr。之后，在函数作用域中出现的全局变量和公共资源都会被锁住。

下面的示例代码就用两种方式实现了锁：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <windows.h>
#include <mutex>

std::mutex mtx;

void func1(void)
{
	while(true)
	{
		std::lock_guard<std::mutex> my_guard(mtx);
		std::cout<<"thread1"<<std::endl;
		Sleep(1000);
	}
}

void func2(void)
{
	while(true)
	{
		mtx.lock();
		std::cout<<"thread2"<<std::endl;
		Sleep(1000);
		mtx.unlock();
	}	
}

int main(void)
{
	std::thread thread2(func2);
	std::thread thread1(func1);
	thread1.join();
	thread2.join();	
}

可以发现，guard的作用区域是while循环内部。

这就像你雇佣了一群保安大叔，当你进入某个房间（内存）时，帮你锁上门；等你出来，自动帮你把门解锁了（怎么和现实相反了？？？）。

参考资料：

『面试问答』：互斥锁、自旋锁和读写锁的区别是什么？_哔哩哔哩_bilibili

C++多线程详解（全网最全） - 知乎 (zhihu.com)

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