本篇介绍C++多线程编程的一些知识。

1 join & detach

join和detach为最基本的用法，join可以使主线程（main函数）等待子线程（自定义的function_1函数）完成后再退出程序，而detach可以使子线程与主线程毫无关联的独立运行，当主线程执行完毕后直接退出程序，不管子线程是否执行完毕。

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
​
// 子线程函数
void function_1()
{
    for(int i=10;i>0;i--) // 循环10次输出
        cout << "=============Hello=============" << endl;
}
​
int main()
{
    thread t1(function_1);//线程开始
​
    //t1.join();//方式1：结合（等待其完成）
    t1.detach();//方式2：分离（使其自行运行）（cout未来得及输出完毕，主线程已结束）
    
    cout << "~~~~~~~~~~~World~~~~~~~~~~~" << endl;
    
    if (t1.joinable())
    {
        t1.join();
    }
    
    return 0;
}

detach方法的执行结果如下，可以看出子线程没来得及执行完毕。

=============Hello=============
~~~~~~~~~~~World~~~~~~~~~~~
=请按任意键继续. . .

如果换成join方法，则可以输出10条Hello语句。

=============Hello=============
=============Hello=============
=============Hello=============
=============Hello=============
=============Hello=============
=============Hello=============
=============Hello=============
=============Hello=============
=============Hello=============
=============Hello=============
~~~~~~~~~~~World~~~~~~~~~~~
请按任意键继续. . .

2 try-catch异常捕获机制的使用

join可以使某些比较重要的函数执行完毕后再退出，但当程序出现异常时，程序仍会直接退出，join没有起到应有的作用，这是可以通过try-catch异常捕获机制，结合join方法，使某些函数（子线程）在程序出现异常时也能先执行完毕再退出，例子如下，通过OpenCV读取显示一张不存在的图片产生异常。

#include<iostream>
#include<thread>
#include<opencv2/opencv.hpp>
​
// 子线程函数（假定该函数比较重要，无论如何都要执行完毕再退出程序）
void function_1()
{
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        std::cout << "========Hello=======" << i << std::endl;
    }
}
​
int main()
{
    std::thread t1(function_1);//t1线程开始运行
​
    try //【捕获异常的范围】
    {
        cv::Mat img = cv::imread("1.jpg");//读取一张不存在的图片，使下句的图片显示出现异常
        cv::imshow("===", img);//此处将出现异常！?错误?
        //出现异常会导致整个程序直接退出
        //捕获异常后，可以进行补救，如使t1子线程执行完毕。
    }
    catch (...)//捕获所有异常
    {
        std::cout << "catch..............." << std::endl;
        t1.join();//使子线程执行完毕
        throw;
    }
​
    t1.join();
​
    std::cout << "主程序正常退出" << std::endl;
    return 0;
}

可以看出运行后产生了一个OpenCV Error，没能输出"主程序正常退出" ，但子线程在程序出现异常后依然可以继续执行完毕。

========Hello=======OpenCV Error: Assertion failed (size.width>0 && size.height>0) in cv::imshow, file D:\Tools1\opencv\opencv\sources\modules\highgui\src\window.cpp, line 325
0
========Hello=======1catch...............
​
========Hello=======2
========Hello=======3
========Hello=======4
========Hello=======5
此处省略...
========Hello=======98
========Hello=======99

3 通过类构造子线程 & ref方法传参

C++开发中更常使用类作为子线程函数而不是单独的某个函数。

注意一点在线程按引用传递参数时的写法，需要使用std::ref方法。

#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>
​
class Fctor
{
public:
    void operator()(std::string& msg)//按【引用】传递参数
    {
        std::cout << "from t1:" << msg << std::endl; 
            msg = "++++++++Hello+++++++++";//修改传入的参数（用于后面的主线程输出）
    }
};
​
int main()
{
    std::string s = "-----------World-----------";//待传入的参数（用于子线程输出）
​
    // 方式1a：这种方式会自动复制一份参数传进去
    //Fctor fct;
    //std::thread t1(fct,s);//t1线程开始运行
​
    // 方式1b：这种方式会自动复制一份参数传进去
    //std::thread t1((Fctor()), s);//t1线程开始运行
​
    // 方式2a：按引用传递
    Fctor fct;
    std::thread t1(fct, std::ref(s));//t1线程开始运行
​
    // 方式2b：按引用传递
    //std::thread t1((Fctor()), std::ref(s));
​
    t1.join();
    std::cout << "from main:" << s << std::endl;
​
    return 0;
}

运行结果，方式1a或1b：

from t1:-----------World-----------
from main:-----------World-----------
请按任意键继续. . .

方式2a或2b:

from t1:-----------World-----------
from main:++++++++Hello+++++++++
请按任意键继续. . .

4 mov方法传参 & 线程对象移动

除了使用ref方法对子线程进行传参，还可以使用mov方法传参，此外mov还可以移动线程对象。

#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>
​
class Fctor
{
public:
    void operator()(std::string& msg)//按引用传递参数
    {
        std::cout << "from t1:" << msg << std::endl;
        msg = "++++++++++++Hello++++++++++";
    }
};
​
int main()
{
    std::string s = "----------------World---------------";
    std::cout << "Main_thread_ID:" << std::this_thread::get_id() << std::endl;//主线程ID
​
​
    std::thread t1((Fctor()), std::move(s));//子线程1(将字符串从主线程移动到子线程)
    std::cout << "Sub_thread1_ID" << t1.get_id() << std::endl;
​
    //线程对象只能被移动，不能被复制。
    std::thread t2 = std::move(t1);//子线程2（接管子线程1，此时子线程1为空？！）
    std::cout << "Sub_thread2_ID" << t2.get_id() << std::endl;
    //可以看到两个子线程的ID是相同的！
​
    t2.join();//等待子线程2结束
​
    //检测硬件并发特性(此句只是用来显示计算机支持的并发线程数量)
    std::cout << std::thread::hardware_concurrency() << std::endl;
​
    return 0;
}

运行结果如下，可以看出传参无误，并且两个子线程的ID相同，说明子线程对象移动成功。

Main_thread_ID:36576
from t1:Sub_thread1_ID37472----------------World---------------
​
Sub_thread2_ID37472
8
请按任意键继续. . .

5 mutex & lock_guard

mutex即互斥量，可理解为一把锁，访问某些资源时先加锁，访问后解锁。 另一进程访问同一资源时，首先尝试加锁，如果锁处于未释放状态则无法加锁，需等待其它线程对锁的释放。

#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>
#include<mutex>
​
std::mutex mu;//【互斥对象】=》一把锁
​
通过函数调用cout，并为cout加锁，防止同时访问cout
void share_print(std::string msg, int id)
{
    mu.lock();
    std::cout << msg << id << std::endl;
    mu.unlock();
}
​
//子线程函数
void function_1()
{
    for(int i = 0; i < 100; i++)
        share_print("==========from t1:" ,i );
}
​
int main()//主线程
{
    std::thread t1(function_1);//t1线程开始运行
​
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        share_print("+++++++++++++++++from main:", i);
    }
​
    t1.join();//等待子线程结束
​
    return 0;
}

运行结果类似如下：

==========from t1:0
+++++++++++++++++from main:0
==========from t1:1
+++++++++++++++++from main:1
==========from t1:2
==========from t1:3
==========from t1:4
==========from t1:5
省略...

如果未使用加锁机制，两线程会互相争抢cout的使用权，从而导致输出混乱，注释掉mu.lock()与mu.unlock()后的输出结果如下：

==========from t1:0+++++++++++++++++from main:0
​
==========from t1:1+++++++++++++++++from main:1
​
==========from t1:2+++++++++++++++++from main:2
​
==========from t1:3
+++++++++++++++++from main:3==========from t1:4
​
==========from t1:5+++++++++++++++++from main:4
省略...

由于lock()与unlock()必须成对出现，为方便管理，出现了lock_guard，它可以对mutex进行管理，自动实现lock()与unlock()，原理是在其构造与析构中自动调用。另外，还可有附加参数。

修改上面的share_print为如下，可实现同样的效果。

void share_print(std::string msg, int id)
{
    std::lock_guard<std::mutex> guard(mu);
    std::cout << msg << id << std::endl;
}

下面的代码是将share_print封装到一个类中，并添加将输出信息同时保存到文件中的功能：

#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>
#include<mutex>
#include<fstream>
​
class LofFile
{
public:
    LofFile(){ f.open("log.txt"); }
    ~LofFile(){ f.close(); }
​
    void shared_print(std::string id, int value)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex);
        f << "from " << id << ":" << value << std::endl;//写入文件
        std::cout << "from " << id << ":" << value << std::endl;//输出
    }
​
private://受保护的成员
    std::mutex m_mutex;//锁
    std::ofstream f;//此时f完全在锁的保护下
};
​
​
void function_1(LofFile& log)
{
    for (int i = 0; i > -100; i--)
        log.shared_print("t1", i);
}
​
int main()//主线程
{
    LofFile log;
    std::thread t1(function_1,std::ref(log));//t1线程开始运行
​
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        log.shared_print("main", i);
    }
​
    t1.join();
​
    return 0;
}

6 死锁 & adopt_lock

当某个资源被两把以上的锁嵌套加锁，且锁的顺序不一致时，可能发生死锁。

原因在于多个线程可能各自加了1把锁后，同时在等待对方释放剩余的锁。

最简单的解决方法是：只要锁的顺序一致，就不会死锁。

#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>
#include<mutex>
#include<fstream>
​
class LogFile
{
    std::mutex m_mutex;//锁1
    std::mutex m_mutex2;//锁2
    std::ofstream f;
public:
    LogFile()//构造函数，初始化时新建一个txt文件
    {
        f.open("log.txt");
    }
    void shared_print(std::string id, int value)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex);//锁住m_mutex成员
        std::lock_guard<std::mutex> locker2(m_mutex2);
        std::cout << id << ":" << value << std::endl;
    }
    void shared_print2(std::string id, int value)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> locker2(m_mutex2);//【出现死所，交换和下一行的位置即可】
        std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex);
        //std::lock_guard<std::mutex> locker2(m_mutex2);
        std::cout << id << ":" << value << std::endl;
    }
};
​
​
void function_1(LogFile& log)
{
    for (int i = 0; i > -1000; i--)
        log.shared_print(std::string("from t1:"), i);
}
​
int main()//主线程
{
    LogFile log;
    std::thread t1(function_1, std::ref(log));//t1线程开始运行
​
    for (int i = 0; i < 1000; i++)
    {
        log.shared_print2(std::string("from main:"), i);
    }
​
    t1.join();
​
    return 0;
}

某次运行结果如下，程序运行到某时刻卡住了:

from main::0
from main::1
省略...
from main::154
from main::155
from main::156
from main::157
from t1::0

当程序比较复杂时，手动方法管理加锁顺序可能相当麻烦，这是就出现了adopt_lock参数来解决。

lock+lock_guard的adopt_lock参数自动避免死锁问题。

lock()可同时管理多个锁，顺序无影响，同时锁住多个锁，若不可，先释放，然后继续尝试。 lock_guard()的adopt_lock参数即抛弃lock操作，因为前面（必须）已加锁，只使用其自动unlock功能。

#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>
#include<mutex>
#include<fstream>
​
class LogFile
{
    std::mutex m_mutex;//锁1
    std::mutex m_mutex2;//锁2
    std::ofstream f;
public:
    LogFile()
    {
        f.open("log.txt");
    }
    void shared_print(std::string id, int value)
    {
        std::lock(m_mutex, m_mutex2);//lock()同时管理多个锁
        std::lock_guard<std::mutex> locker(m_mutex,std::adopt_lock);//adopt_lock即抛弃lock操作，因为上句已加锁
        std::lock_guard<std::mutex> locker2(m_mutex2, std::adopt_lock);//在析构时自动unlock()
        std::cout << id << ":" << value << std::endl;
    }
    void shared_print2(std::string id, int value)
    {
        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);
        std::cout << id << ":" << value << std::endl;
    }
};
​
​
void function_1(LogFile& log)
{
    for (int i = 0; i > -1000; i--)
        log.shared_print(std::string("from t1:"), i);
}
​
int main()//主线程
{
    LogFile log;
    std::thread t1(function_1, std::ref(log));//t1线程开始运行
    for (int i = 0; i < 1000; i++)
    {
        log.shared_print2(std::string("from main:"), i);
    }
​
    t1.join();
​
    return 0;
}

运行结果如下，不会出现死锁：

from t1::0
from main::0
from t1::-1
from main::1
省略...
from t1::-997
from main::994
from t1::-998
from main::995
from t1::-999
from main::996
from main::997
from main::998
from main::999
请按任意键继续. . .

end