二、互斥量库mutex

2.1 mutex的种类

在C++11中，mutex类中总共包了四种互斥量

std::muetx

mutex锁是C++11提供的最基本的互斥量，mutex对象之间不能进行拷贝，也不能进行移动

常用成员函数如下：

线程函数调用lock时：

若该互斥量当前没有被其他线程获取，则调用线程获取互斥量，直到调用unlock()之前，该线程一直拥有该锁

若该互斥量已经被其他线程获取，则当前的调用线程会被阻塞，直至其他线程将互斥量释放

若当前线程已获取该互斥量，却又调用lock()，则会产生死锁（deadlock）

线程调用try_lock时：

若该互斥量当前没有被其他线程获取，则调用线程获取该互斥量，直到调用unlock()之前，该线程一直拥有该锁

若该互斥量已经被其他线程获取，则try_lock()调用返回false，调用线程不会被阻塞

若当前线程已获取该互斥量，却又调用try_lock()，则会产生死锁（deadlock）

std:recursive_mutex

recursive_mutex被称为递归互斥锁，该锁专门用于递归函数中的加锁操作

若在递归函数中使用mutex互斥锁进行加锁，那么在线程进行递归调用时，可能会重复申请已经申请到但自己还未释放的锁，进而导致死锁问题

而recursive_mutex允许同一个线程对互斥量多次上锁（即递归上锁），来获得互斥量对象的多层所有权，但是释放互斥量时需要调用与该锁层次深度相同次数的unlock

recursive_mutex也提供了lock、try_lock和unlock成员函数，其的特性与mutex大致相同

std::timed_mutex

timed_mutex中提供了以下两个成员函数：

try_lock_for：接受一个时间范围，表示在这一段时间范围之内线程若没有获得锁则被阻塞住，若在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，若超时（即在指定时间之内还是没有获得锁），则返回false

try_lock_untill：接受一个时间点作为参数，在指定时间点未到来之前线程若没有获得锁则被阻塞，若在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，若超时（即在指定时间点到来时还是没有获得锁），则返回false

timed_mutex也提供了lock、try_lock和unlock成员函数，其的特性与mutex相同

std::recursive_timed_mutex

recursive_timed_mutex就是recursive_mutex和timed_mutex的结合，recursive_timed_mutex既支持在递归函数中进行加锁操作，也支持定时尝试申请锁

2.2 lock_guard与unique_lock

使用互斥锁时可能出现的问题

使用互斥锁时，若在加锁区域抛出异常，则后续的解锁代码则不会执行，导致此后所有申请该锁的线程都被阻塞。或者加锁的范围太大，那么极有可能在中途返回时忘记了解锁

因此C++11采用RAII的方式对锁进行了封装，于是就有了lock_guard和unique_lock

lock_guard

lock_guard是C++11中的一个模板类

template <class Mutex>
class lock_guard;

lock_guard类模板主要是通过RAII的方式，对其管理的互斥锁进行了封装

在需要加锁的地方，用互斥锁实例化一个lock_guard对象，在lock_guard的构造函数中会调用lock()进行加锁

当lock_guard对象出作用域前会自动调用析构函数，而在lock_guard的析构函数中调用了unlock()自动解锁

从lock_guard对象定义到该对象析构，这段区域的代码都属于互斥锁的保护范围。若只想保护某一段代码，可以通过定义匿名的局部域来控制lock_guard对象的生命周期

#include <iostream>
#include <mutex>
using namespace std;
mutex mtx;
void func()
{
  //匿名局部域
  {
    lock_guard<mutex> lg(mtx); //调用构造函数加锁
    if (true) {
      return; //调用析构函数解锁
    }
  } //调用析构函数解锁
}
int main()
{
  func();
  return 0;
}

模拟实现lock_guard

lock_guard类中包含一个锁成员变量（引用类型），这个锁就是lock_guard对象管理的互斥锁

调用lock_guard的构造函数时需要传入一个被管理互斥锁，用该互斥锁来初始化锁成员变量后，调用互斥锁的lock函数进行加锁

lock_guard的析构函数中调用互斥锁的unlock进行解锁

需要删除lock_guard类的拷贝构造和拷贝赋值，lock_guard类本身也是不支持拷贝的

template<class Mutex>
class lock_guard
{
public:
  lock_guard(Mutex& mtx) :_mtx(mtx) {
    mtx.lock(); //加锁
  }
  ~lock_guard() {
    mtx.unlock(); //解锁
  } 
private:
  lock_guard(const lock_guard&) = delete;
  lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
  Mutex& _mtx;
};

unique_lock

由于lock_guard太单一，用户没有办法对锁进行控制，因此C++11又提供了unique_lock

unique_lock与lock_guard类似，unique_lock类模板也是采用RAII的方式对锁进行了封装。在创建unique_lock对象调用构造函数时也会调用lock进行加锁，在unique_lock对象销毁调用析构函数时也会调用unlock进行解锁

但lock_guard不同的是，unique_lock更加的灵活，提供了更多的成员函数：

加锁/解锁操作：lock()、try_lock()、try_lock_for()、try_lock_until()与unlock()

修改操作：移动赋值、swap、release（返回它所管理的互斥量对象的指针，并释放所有权）

获取属性：owns_lock（返回当前对象是否上了锁）、operator bool（与owns_lock的功能相同）、mutex（返回当前unique_lock所管理的互斥量的指针）

如下场景就适合使用unique_lock：

要用互斥锁保护func1()的大部分代码，但是中间有一小块代码调用了func2()，而func2()不需要用func1()中的互斥锁进行保护，func2()内部的代码由其他互斥锁进行保护

因此在调用func2()之前需要对当前互斥锁进行解锁，当func()调用返回后再进行加锁，这样当调用func2()时其他线程调用func1()就能够获取到这个锁

三、原子性操作库atomic

线程安全问题

多线程最主要的问题是共享数据带来的问题（即线程安全）。若共享数据都是只读的，那么没问题，因为只读操作不会影响到数据，更不会涉及对数据的修改，所以所有线程都会获得同样的数据。但是，当一个或多个线程要修改共享数据时，就会产生很多潜在的麻烦

上述代码中分别让两个线程对同一个变量num进行了100000次++操作，理论上最终num的值应该是200000，但最终打印出n的值却是小于200000的

根本原因就是++操作并不是一个原子操作，该操作分为三步：

load：将共享变量n从内存加载到寄存器中

update：更新寄存器里面的值，执行+1操作

store：将新值从寄存器写回共享变量num的内存地址

++操作对应的汇编代码如下：

因此可能当线程1刚将num的值加载到寄存器中就被切走了，也就是只完成了++操作的第一步，而线程2可能顺利完成了一次完整的++操作才被切走，而这时线程1继续用之前加载到寄存器中的值完成剩余的两步操作，最终就会导致两个线程分别对共享变量num进行了一次++操作，但最终num的值却只被++了一次

加锁解决线程安全问题

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
using namespace std;
void func(int& num, int count, mutex& mtx)
{
  mtx.lock();
  for (int i = 0; i < count; i++) 
  {
    //mtx.lock();
    ++num;
    //mtx.unlock();
  }
  mtx.unlock();
}
int main()
{
  int num = 0;
  int count = 100000; //每个线程对num++的次数
  mutex mtx;
  thread t1(func, ref(num), count, ref(mtx));
  thread t2(func, ref(num), count, ref(mtx));
  t1.join();
  t2.join();
  cout << num << endl;
  return 0;
}

可以选择在for循环体里面进行加锁解锁，也可以选择在for循环体外进行加锁解锁。但效果终究是不尽人意的，在for循环体里面进行加锁解锁会导致线程的频繁进行加锁解锁操作，在for循环体外面进行加锁解锁会导致两个线程的执行逻辑变为串行

原子类解决线程安全问题

注意：需要用大括号对原子类型的变量进行初始化

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
using namespace std;
void func(atomic_int& num, int count)
{
  for (int i = 0; i < count; i++) {
    ++num;
  }
}
int main()
{
  atomic_int num = { 0 };
  int count = 100000; //每个线程对n++的次数
  thread t1(func, ref(num), count);
  thread t2(func, ref(num), count);
  t1.join();
  t2.join();
  cout << num << endl; //打印n的值
  return 0;
}

原子类型通常属于"资源类型"数据，多个线程只能访问单个原子类型的拷贝，因此在C++11中，原子类型只能从其模板参数中进行构造，不允许原子类型进行拷贝构造、移动构造以及operator=等

为了防止意外，标准库已经将atomic模板类中的拷贝构造、移动构造、operator=默认删除

原子类型不仅仅支持原子的++操作，还支持原子的--、+=、-=、与、或、异或操作

原子操作原理CAS

在对变量进行计算之前(如 ++ 操作)，首先读取原变量值，称为旧的预期值 A

然后在更新之前再获取当前内存中的值，称为当前内存值 V

如果 A==V 则说明变量从未被其他线程修改过，此时将会写入新值 B

如果 A!=V 则说明变量已经被其他线程修改过，当前线程应当重新++

四、条件变量库condition_variable

wait系列成员函数

wait系列成员函数的作用就是让调用线程进行阻塞等待，包括wait()、wait_for()、wait_until()

下面以wait为例，wait()函数提供了两个不同的版本：

void wait(unique_lock<mutex>& lck);
template<class Predicate>
void wait(unique_lock<mutex>& lck, Predicate pred);

调用第一个版本的wait函数时只需要传入一个互斥锁，线程调用wait后会立即被阻塞，直到被唤醒

调用第二个版本的wait函数时除了需要传入一个互斥锁，还需要传入一个返回值类型为bool的可调用对象，与第一个版本的wait不同的是，调用传入的可调用对象若返回值为false才会阻塞；被唤醒后也会调用该对象，若可调用对象的返回值为false，那么该线程还需要继续被阻塞

while (!pred()) wait(lck); == wait()版本二

为什么调用wait系列函数时需要传入一个互斥锁？

因为wait系列函数一般是在临界区中调用的，为了让当前线程调用wait()阻塞时其他线程能够获取到锁，因此调用wait系列函数时需要传入一个互斥锁，当线程被阻塞时这个互斥锁会被自动解锁，而当这个线程被唤醒时，又会自动获得这个互斥锁

因此wait系列函数实际上有两个功能，一个是让线程在条件不满足时进行阻塞等待，另一个是让线程将对应的互斥锁进行解锁

wait_for和wait_until函数的使用方式与wait函数类似：

wait_for函数也提供了两个版本的接口，只不过这两个版本的接口都比wait函数对应的接口多了一个参数，这个参数是一个时间段，表示让线程在该时间段内进行阻塞等待，如果超过这个时间段则线程被自动唤醒

wait_until函数也提供了两个版本的接口，只不过这两个版本的接口都比wait函数对应的接口多了一个参数，这个参数是一个具体的时间点，表示让线程在该时间点之前进行阻塞等待，若超过这个时间点则线程被自动唤醒

线程调用wait_for或wait_until函数在阻塞等待期间，其他线程调用notify系列函数也可以将其唤醒。此外，若调用的是wait_for或wait_until函数的第二个版本的接口，那么当线程被唤醒后还需要调用传入的可调用对象，若可调用对象的返回值为false，那么当前线程还需要继续被阻塞

注意：调用wait系列函数时，传入互斥锁的类型必须是unique_lock

notify系列成员函数

notify系列成员函数的作用就是唤醒等待的线程，包括notify_one和notify_all

notify_one：唤醒等待队列中的首个线程，若等待队列为空则什么也不做

notify_all：唤醒等待队列中的所有线程，若等待队列为空则什么也不做

注意：条件变量下可能会有多个线程在进行阻塞等待，其会被放到一个等待队列中进行排队

五、实现两个线程交替打印1-100

尝试用两个线程交替打印1-100的数字，要求一个线程打印奇数，另一个线程打印偶数，并且打印数字从小到大依次递增

该题目主要考察的就是线程的同步和互斥

互斥：两个线程都在向控制台打印数据，为了保证两个线程的打印数据不会相互影响，因此需要对线程的打印过程进行加锁保护

同步：两个线程必须交替进行打印，因此需要用到条件变量让两个线程进行同步，当一个线程打印完再唤醒另一个线程进行打印

但只有同步和互斥是无法满足题目要求的，无法保证哪一个线程会先进行打印，不能说先创建的线程就一定先打印，后创建的线程先打印也是有可能的

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <condition_variable>
using namespace std;
int main()
{
  int i = 1;
  int n = 100;
  mutex mtx;
  condition_variable cv;
  size_t flag = 1;//1 or 2 代表哪个线程可以打印
  //奇数
  thread t1([&]() {
    while (i < n)//最大99
    {
      unique_lock<mutex> lock(mtx);
      cv.wait(lock, [&flag]()->bool { return flag == 1; });
      cout << this_thread::get_id() << ":" << i << endl;
      i += 1;
      flag = 2;
      cv.notify_one();
    }
  });
  //偶数
  thread t2([&]() {
    while (i <= n)//最大100
    {
      unique_lock<mutex> lock(mtx);
      cv.wait(lock, [&flag]()->bool { return flag == 2; });
      cout << this_thread::get_id() << ":" << i << endl;
      i += 1;
      flag = 1;
      cv.notify_one();
    }
  });
  this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
  cout << "t1:" << t1.get_id() << endl;
  cout << "t2:" << t2.get_id() << endl;
  t1.join();
  t2.join();
  return 0;
}

C++多线程（二）

二、互斥量库mutex

2.1 mutex的种类

2.2 lock_guard与unique_lock

三、原子性操作库atomic

四、条件变量库condition_variable

五、实现两个线程交替打印1-100

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