文章目錄

• 前言
• 一、互斥鎖
• • 1.mutex
  • 2.lock_guard
  • 3.unique_lock
• 二、條件變量
• • condition_variable
• 三、信號(hào)量
• • semaphore
• 四、異步操作
• • 1.async構(gòu)造方式
  • 2.future
  • 3.promise
• 五、原子操作
• 備注

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前言

關(guān)于C++多線程編程的幾種實(shí)現(xiàn)方式（互斥鎖、條件變量、信號(hào)量、異步操作、原子操作）小結(jié)

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一、互斥鎖

使用鎖的方式對共享資源對象的訪問進(jìn)行控制，操作包括上鎖lock()、解鎖unlock()

1.mutex

• include <mutex>
• lock和unlock必須成對出現(xiàn)
• 構(gòu)造出來的mutex對象都是unlock狀態(tài)
• mutex不允許拷貝構(gòu)造
• 當(dāng)前線程lock了mutex，該線程在unlock之前一直擁有該鎖，被鎖期間阻塞。如果是自身線程調(diào)用了lock鎖住mutex，可能會(huì)產(chǎn)生死鎖
• try_lock()，嘗試鎖，即使被占有也不會(huì)阻塞（失敗會(huì)返回false）
• mutex為最簡單的互斥鎖，不支持遞歸上鎖，需要遞歸上鎖要使用recursive_lock類
  

2.lock_guard

• 構(gòu)造方式：lock_guard<mutex> lck(mtx);
• 相比較mutex最大特點(diǎn)是，構(gòu)造時(shí)自動(dòng)lock，離開作用域后調(diào)用析構(gòu)函數(shù)unlock，可以與智能指針類比
• 采用資源請求初始化（RAII）編程技術(shù)，針對動(dòng)態(tài)分配的資源（需要申請內(nèi)存，非static對象）
• 不能手動(dòng)解鎖，不能拷貝

3.unique_lock

• 比lock_guard功能更加強(qiáng)大，但開銷也大
• 構(gòu)造時(shí)選擇加鎖方式：defer_lock延遲加鎖；try_lock嘗試加鎖；adopt_lock立刻加鎖
• release()函數(shù)，返回管理的mutex對象指針，釋放所有權(quán)（不能再對該mutex進(jìn)行控制），之后用戶可以對mutex進(jìn)行手動(dòng)unlock操作，此功能給予更大的編程自由度，從而完成相應(yīng)功能
• 配合condition_variable使用，condition_variable wait()函數(shù)第一個(gè)參數(shù)為unique_lock類型
• 不允許復(fù)制，但允許"move"，即對mutex的所有權(quán)進(jìn)行傳遞，lck1對mymutex所有權(quán)轉(zhuǎn)移至lck2：
  unique_lock<mutex>lck1(mymutex);
  unique_lock<mutex> lck2(mymutex);

二、條件變量

條件不滿足，線程被阻塞。一個(gè)線程等待某一變量的成立而阻塞，另一線程使該變量變化而使上一線程成立，同時(shí)發(fā)送信號(hào)（notify）喚醒wait的線程

condition_variable

• 獲取mutex，確切的說為mutex構(gòu)造的unique_lock對象
• wait_for()，wait_until()，第二個(gè)參數(shù)為chrono（時(shí)間庫）
• wait_for()，wait()條件成立 or 超過給定時(shí)間段的時(shí)間自動(dòng)unlock
• wait_until()，同上，但時(shí)間段改為時(shí)刻
• notify_all()，notify_one()，全部喚醒 or 喚醒之一

三、信號(hào)量

提供原子操作，C語言提供

semaphore

• include <semaphore.h>
• 定義：sem_t mysem;
• 初始化：int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value); value 參數(shù)指定信號(hào)量的初始值。一般：sem_init(&mysem，0，0);需要首次執(zhí)行的：sem_init(&mysem，0，1);

pshared 參數(shù)指明信號(hào)量是由進(jìn)程內(nèi)線程共享，還是由進(jìn)程之間共享。如果 pshared 的值為 0，那么信號(hào)量將被進(jìn)程內(nèi)的線程共享，并且應(yīng)該放置在這個(gè)進(jìn)程的所有線程都可見的地址上(如全局變量，或者堆上動(dòng)態(tài)分配的變量)。

• int sem_wait(sem_t *sem); //sem+1 >0時(shí)終端阻塞，繼續(xù)執(zhí)行
• int sem_post(sem_t *sem); //sem-1
• int sem_trywait(sem_t *sem);
• int sem_getvalue(sem_t *sem);

四、異步操作

在不需要等待被調(diào)用方返回之前，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)操作。c++11提供了異步接口std::async，std::async會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)線程去調(diào)用 線程函數(shù)，它返回一個(gè)std::future，這個(gè)future中存儲(chǔ)了線程函數(shù)返回的結(jié)果，當(dāng)我們需要線程函數(shù)的結(jié)果時(shí)，直接從future中獲取

1.async構(gòu)造方式

• template <class Fn, class… Args> future<typename
  result_of<Fn(Args…)>::type>
  async (Fn&& fn, Args&&… args);

• template <class Fn, class… Args> future<typename
  result_of<Fn(Args…)>::type>
  async (launch policy, Fn&& fn, Args&&… args);

• policy：
  launch::async： 異步啟動(dòng)一個(gè)新線程調(diào)用fn
  launch::deferred延遲：對 fn 的調(diào)用被延遲，直到返回的未來的共享狀態(tài)被訪問（等待或獲取）。 此時(shí)，調(diào)用 fn 并且該函數(shù)不再被視為延遲。 當(dāng)此調(diào)用返回時(shí)，返回的未來的共享狀態(tài)已準(zhǔn)備就緒。
  launch::async|launch::deferred：該函數(shù)自動(dòng)選擇策略(在某一點(diǎn))。這取決于系統(tǒng)和庫實(shí)現(xiàn)，它們通常針對系統(tǒng)中當(dāng)前的并發(fā)可用性進(jìn)行優(yōu)化。

• fn 函數(shù)指針，可以為仿函數(shù)、lambda表達(dá)式，類的成員函數(shù)等

• args 傳遞給fn的參數(shù)

2.future

• future是一個(gè)可以從某個(gè)提供者對象或函數(shù)中檢索值的對象，如果在不同的線程中，可以正確地同步這種訪問
• template future;
  template <class R&> future<R&>;
  template <> future<void>;
• future是與共享狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的未來對象，并且通過調(diào)用以下函數(shù)之一來構(gòu)造:
  async
  promise::get_future
  packaged_task::get_future
• get()取值、valid()共享是否有效、wait()阻塞等待（由valid判斷，false阻塞，true繼續(xù)執(zhí)行）、wait_for()、wait_until()同上

3.promise

• promise是一個(gè)對象，它可以存儲(chǔ)一個(gè)T類型的值，供將來的對象(可能在另一個(gè)線程中)檢索，提供一個(gè)同步點(diǎn)。
• 這個(gè)共享狀態(tài)可以通過調(diào)用成員get_future關(guān)聯(lián)到一個(gè)未來對象。調(diào)用后，兩個(gè)對象共享相同的共享狀態(tài): promise對象是異步提供者，應(yīng)該在某個(gè)時(shí)候?yàn)楣蚕頎顟B(tài)設(shè)置一個(gè)值。 future對象是一個(gè)異步返回對象，它可以檢索共享狀態(tài)的值，并在必要時(shí)等待它準(zhǔn)備就緒。
• set_value()設(shè)置value并通知future

五、原子操作

原子操作能夠保證多個(gè)線程順序訪問，不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)爭用，執(zhí)行時(shí)沒有任何其它線程能夠修改相同的原子對象。原子操作更加接近底層，因而效率更高。

• std::atomic<T>構(gòu)造對象
• atomic_long total(0);
• atomic<bool> flag{ false }
• 底層原理：自旋鎖 + CAS（樂觀鎖）
• 樂觀鎖：更新值時(shí)進(jìn)行compareAndSwap操作，即當(dāng)內(nèi)存當(dāng)前值等于內(nèi)存預(yù)期值時(shí)，將要更新的值賦給內(nèi)存，不等時(shí)不操作，之后可重試
• 自旋鎖：嘗試獲取鎖的所有權(quán)時(shí)會(huì)以忙等待的形式不斷的循環(huán)檢查鎖是否可用

備注

以上為實(shí)際遇到的問題，待補(bǔ)充

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的C++多线程编程的几种实现方式小结的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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