C++线程基础——创建多个线程以及互斥量使用
引言
本文主要内容：
- C++ 创建多个线程的方式
- 多线程访问共享数据问题，引入C++中的互斥量
开发测试环境
- windows10 64bit
- Visual Studio 2017
创建多个线程
一般需要创建多个线程的时候，可以采用std::vector + std::thread 的方式，如下所示：
代码
#include<iostream>
#include<vector>
#include<thread>
using namespace std;
void func1(int a) {
printf("a=%d\t 线程id=%d\n", a, std::this_thread::get_id());
}
int main() {
/*
创建多个线程
*/
vector<thread> my_threads;
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
my_threads.push_back(thread(func1, i));
}
for (auto& i:my_threads)
{
i.join();
}
/*for (auto iter=my_threads.begin();iter!=my_threads.end();++iter)
{
iter->join();
}*/
}
image.png
每个线程的id都不同，说明确实创建了10个线程。
多线程访问共享数据
共享数据按照操作类型可分为：
- 只读数据
- 有读有些数据
多线程访问只读数据
#include<iostream>
#include<vector>
#include<thread>
using namespace std;
// 共享数据
vector<int> my_data{ 1, 2, 3, 4, 5 };
//这里必须是const类型修饰
void readData( const std::vector<int>& d) {
cout << d[0] << d[1] << d[2] << d[3] << d[4] << " 线程id=" << std::this_thread::get_id() << endl;
}
int main() {
//创建2个线程
thread read_thread1(readData, my_data);
thread read_thread2(readData, my_data);
read_thread1.join();
read_thread2.join();
}
image.png
虽然运行结果打印是乱的，但是读取的数据仍然是12345， 没有发生错误。
结论：
如果共享数据是只读的话，则多线程读取是安全稳定的，不需要特殊手段，直接读取即可。
多线程操作有读有写数据
#include<iostream>
#include<vector>
#include<thread>
using namespace std;
//共享数据
int num_ticket = 20;
void sell() {
while (true)
{
if (num_ticket > 0)
{
//共享数据写操作
num_ticket -= 1;
printf("订票成功，当前余票数=%d,线程id=%d\n", num_ticket, std::this_thread::get_id());
}
else
{
printf("票已售完!,线程id=%d\n", std::this_thread::get_id());
return;
}
}
}
int main() {
thread my_thread1(sell);
thread my_thread2(sell);
my_thread1.join();
my_thread2.join();
}
image.png
两个线程进行订票服务，刚开始线程id=12624的先运行，成功订票2张；之后CPU进行了上下文切换，线程id=7096的线程开始运行，成功订票7张，余票为10张； 此时CPU又进行上下文切换，线程id=12624查询到余票还有16张，显然错误；.....
说明，在多线程中，对共享数据进行有读有写操作会存在数据一致性问题
解决思路
多线程操作有读有写的共享数据，读和写不要同时进行，读的时候不能写，写的时候不能读
引入互斥量
在C++中，为了解决多线程保护共享数据问题，引入了互斥量
类似于生活中的问题，比如厕所的坑是公共资源，张三、李四是两个线程，都可能随时去上厕所，而且可能同一时刻一起去， 因此为了避免2人抢坑打起来，厕所的每个坑有门以及锁， 如果张三首先占坑了，为了不影响自己上厕所，此时将门锁住(加锁)，这样李四只能在门外等； 当张三用完了，此时打开锁子(解锁)，李四进去之后也进行加锁，防止其他人进入，之后用完有解锁。
C++多线程中
互斥量: 互斥量是一个类对象，可以理解为一把锁，具有2种行为"加锁"和"解锁"。多个线程尝试使用lock()成员函数进行加锁，只有一个线程能够锁定成功(成功的标志是lock()函数返回了return),如果没有加锁成功，那么流程一直卡在lock()这里不断尝试加锁。
简单的讲，互斥量就是使得2个线程不能同时操作共享数据，这就是互斥的含义。
在C++中，引入信号量，需要包含头文件
#include<mutex>
创建一个互斥量对象
std::mutex my_mutex;
互斥量的方法/成员函数：
-
std::mutex::lock()加锁 -
std::mutex::unlock()解锁
#include<iostream>
#include<vector>
#include<list>
#include<thread>
#include<mutex>
using namespace std;
int num_ticket = 200;
void sell() {
while (true)
{
if (num_ticket > 0)
{
num_ticket -= 1;
printf("订票成功，当前余票数=%d,线程id=%d\n", num_ticket, std::this_thread::get_id());
std::this_thread::sleep_for(chrono::microseconds(200));
}
else
{
printf("票已售完!,线程id=%d\n", std::this_thread::get_id());
return;
}
}
}
int main() {
std::vector<thread> my_threads;
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
my_threads.push_back(thread(sell));
}
for (auto& i:my_threads)
{
i.join();
}
}
image.png
在代码中加入互斥量
my_mutex.lock() 加锁
my_mutex.unlock() 解锁
#include<iostream>
#include<vector>
#include<list>
#include<thread>
#include<mutex>
using namespace std;
int num_ticket = 200;
mutex my_mutex;
void sell() {
while (true)
{
my_mutex.lock();
if (num_ticket > 0)
{
num_ticket -= 1;
printf("订票成功，当前余票数=%d,线程id=%d\n", num_ticket, std::this_thread::get_id());
my_mutex.unlock();
std::this_thread::sleep_for(chrono::microseconds(200));
}
else
{
printf("票已售完!,线程id=%d\n", std::this_thread::get_id());
return;
}
}
}
int main() {
std::vector<thread> my_threads;
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
my_threads.push_back(thread(sell));
}
for (auto& i:my_threads)
{
i.join();
}
}
image.png
image.png
std::lock_guard()
互斥量用法总结
互斥量std::mutex是一个类对象，具有lock()、unlock()2个成员方法，lock()是加锁， unlock()是解锁。
-
互斥量使用步骤
先lock()，操作共享数据， 然后unlock()
lock()和unlock()要成对使用，使用lock()必然要有unlcok(),每调用一次lock()必然需要调用一次unlcok()。不允许调用2次lock()+调用1次unlock()或者调用1次lock()+调用2次unlock()， 这些非对称数量的调用都会导致程序不稳定或者BUG。
引入std::lock_guard()
由于使用std::mutex()需要进行lock()以及unlock(), 但是在实际开发中由于各种原因，往往会忘记unlock()，这样会导致锁死。C++中为了解决这情况，引入了一个类模板 std::lock_guard(), lock_guard()字面意思保证lock
-
std::lock_guard()用法
std::lock_guard()是一个类模板，就是类， 在使用时候，需要创建/构造类对象。std::lock_guard()使用非常简单，只需要将mutex对象作为参数传入即可。
注意：使用lock_guard()之后就不需要使用mutex::lock(),mutex::unlcok()
-
std::lock_guard的原理
在lock_guard()的构造函数中，自动调用mutex对象的lock()方法， 在析构函数中，调用mutex对象的unlock()方法。
std::mutex my_mutex;
std::lock_guard<std::mutex> mylock_guard(my_mutex);
例子
#include<iostream>
#include<vector>
#include<list>
#include<thread>
#include<mutex>
using namespace std;
int num_ticket = 200;
mutex my_mutex;
void sell() {
while (true)
{
//my_mutex.lock();
std::lock_guard<std::mutex> mylock_guard(my_mutex);
if (num_ticket > 0)
{
num_ticket -= 1;
printf("订票成功，当前余票数=%d,线程id=%d\n", num_ticket, std::this_thread::get_id());
//my_mutex.unlock();
std::this_thread::sleep_for(chrono::microseconds(200));
}
else
{
printf("票已售完!,线程id=%d\n", std::this_thread::get_id());
return;
}
}
}
int main() {
std::vector<thread> my_threads;
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
my_threads.push_back(thread(sell));
}
for (auto& i : my_threads)
{
i.join();
}
}
线程死锁问题
什么是死锁？
死锁字面理解就是锁死了，线程卡死了。
C++中死锁：产生死锁的前提，线程中必须至少包含2及以上的互斥量。
举例
张三在北京的火车站等李四，李四在西安的火车站等张三，两人等一辈子也见不着面
C++线程中中死锁的例子
假设有2个线程A, B, 以及2个锁(互斥量)金锁(JinLock)、银锁(YinLock)
(1) 线程A执行过程中，A线程抢到了金锁，将金锁成功lock(),之后线程A的流程是抢占获取银锁，但是此时CPU进行了上下文切换...
(2) 上下文切换之后，B线程开始执行，B线程去抢占银锁，由于银锁没有被锁，因此B线程抢占银锁成功，并且将银锁lock()成功，之后B线程去抢占金锁。 这种情况下，就产生了死锁
(3) 线程A因为拿不到银锁，流程走不下去（后面的代码有解锁金锁的，但是无法执行，金锁无法打开）
(4) 线程B因为拿不到金锁，流程走不下去（后面的代码有解锁银锁的，但是无法执行，银锁无法打开）
image.png
死锁的一般解决方案
保证2个互斥量上锁顺序一致
std::lock()函数模板
用于多个互斥量
总结
本文简单介绍了多个线程的创建方式，以及多线程访问共享数据存在的问题，最后介绍了互斥量概念， 关于互斥量的使用下文继续探讨。
