現(xiàn)代 C++ 并發(fā)編程基礎(chǔ)

并行基礎(chǔ)

std::thread?用于創(chuàng)建一個(gè)執(zhí)行的線程實(shí)例，所以它是一切并發(fā)編程的基礎(chǔ)，使用時(shí)需要包含??頭文件， 它提供了很多基本的線程操作，例如?get_id()?來(lái)獲取所創(chuàng)建線程的線程 ID，使用?join()?來(lái)加入一個(gè)線程等等，例如：

#include 
#include 

int main() {
    std::thread t([](){
        std::cout << "hello world." << std::endl;
    });
    t.join();
    return 0;
}

互斥量與臨界區(qū)

我們?cè)诓僮飨到y(tǒng)、亦或是數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)知識(shí)中已經(jīng)了解過(guò)了有關(guān)并發(fā)技術(shù)的基本知識(shí)，mutex 就是其中的核心之一。C++11 引入了?mutex?相關(guān)的類，其所有相關(guān)的函數(shù)都放在??頭文件中。

std::mutex?是 C++11 中最基本的?mutex?類，通過(guò)實(shí)例化?std::mutex?可以創(chuàng)建互斥量， 而通過(guò)其成員函數(shù) lock()?可以進(jìn)行上鎖，unlock()?可以進(jìn)行解鎖。

但是在實(shí)際編寫(xiě)代碼的過(guò)程中，最好不去直接調(diào)用成員函數(shù)， 因?yàn)檎{(diào)用成員函數(shù)就需要在每個(gè)臨界區(qū)的出口處調(diào)用 unlock()，當(dāng)然，還包括異常。

這時(shí)候 C++11 還為互斥量提供了一個(gè) RAII 語(yǔ)法的模板類 std::lock_guard。RAII 在不失代碼簡(jiǎn)潔性的同時(shí)，很好的保證了代碼的異常安全性。

在 RAII 用法下，對(duì)于臨界區(qū)的互斥量的創(chuàng)建只需要在作用域的開(kāi)始部分，例如：

#include 
#include 

int v = 1;

void critical_section(int change_v) {
    static std::mutex mtx;
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);

    // 執(zhí)行競(jìng)爭(zhēng)操作
    v = change_v;

    // 離開(kāi)此作用域后 mtx 會(huì)被釋放
}

int main() {
    std::thread t1(critical_section, 2), t2(critical_section, 3);
    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << v << std::endl;
    return 0;
}

由于 C++ 保證了所有棧對(duì)象在生命周期結(jié)束時(shí)會(huì)被銷(xiāo)毀，所以這樣的代碼也是異常安全的。無(wú)論 critical_section()?正常返回、還是在中途拋出異常，都會(huì)引發(fā)堆?；赝?，也就自動(dòng)調(diào)用了 unlock()。

而?std::unique_lock?則相對(duì)于?std::lock_guard?出現(xiàn)的，std::unique_lock?更加靈活，?std::unique_lock?的對(duì)象會(huì)以獨(dú)占所有權(quán)（沒(méi)有其他的 unique_lock 對(duì)象同時(shí)擁有某個(gè) mutex 對(duì)象的所有權(quán)） 的方式管理 mutex 對(duì)象上的上鎖和解鎖的操作。

所以在并發(fā)編程中，推薦使用 std::unique_lock。

std::lock_guard?不能顯式的調(diào)用?lock?和?unlock， 而?std::unique_lock?可以在聲明后的任意位置調(diào)用， 可以縮小鎖的作用范圍，提供更高的并發(fā)度。

如果你用到了條件變量 std::condition_variable::wait 則必須使用 std::unique_lock 作為參數(shù)。

例如：

#include 
#include 

int v = 1;

void critical_section(int change_v) {
    static std::mutex mtx;
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    // 執(zhí)行競(jìng)爭(zhēng)操作
    v = change_v;
    std::cout << v << std::endl;
    // 將鎖進(jìn)行釋放
    lock.unlock();

    // 在此期間，任何人都可以搶奪 v 的持有權(quán)

    // 開(kāi)始另一組競(jìng)爭(zhēng)操作，再次加鎖
    lock.lock();
    v += 1;
    std::cout << v << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(critical_section, 2), t2(critical_section, 3);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

期物

期物（Future）表現(xiàn)為?std::future，它提供了一個(gè)訪問(wèn)異步操作結(jié)果的途徑，這句話很不好理解。為了理解這個(gè)特性，我們需要先理解一下在 C++11 之前的多線程行為。

試想，如果我們的主線程 A 希望新開(kāi)辟一個(gè)線程 B 去執(zhí)行某個(gè)我們預(yù)期的任務(wù)，并返回我一個(gè)結(jié)果。

而這時(shí)候，線程 A 可能正在忙其他的事情，無(wú)暇顧及 B 的結(jié)果， 所以我們會(huì)很自然的希望能夠在某個(gè)特定的時(shí)間獲得線程 B 的結(jié)果。

在 C++11 的 std::future 被引入之前，通常的做法是：創(chuàng)建一個(gè)線程 A，在線程 A 里啟動(dòng)任務(wù) B，當(dāng)準(zhǔn)備完畢后發(fā)送一個(gè)事件，并將結(jié)果保存在全局變量中。

而主函數(shù)線程 A 里正在做其他的事情，當(dāng)需要結(jié)果的時(shí)候，調(diào)用一個(gè)線程等待函數(shù)來(lái)獲得執(zhí)行的結(jié)果。

而 C++11 提供的?std::future?簡(jiǎn)化了這個(gè)流程，可以用來(lái)獲取異步任務(wù)的結(jié)果。自然地，我們很容易能夠想象到把它作為一種簡(jiǎn)單的線程同步手段，即屏障（barrier）。

為了看一個(gè)例子，我們這里額外使用 std::packaged_task，它可以用來(lái)封裝任何可以調(diào)用的目標(biāo)，從而用于實(shí)現(xiàn)異步的調(diào)用。舉例來(lái)說(shuō)：

#include 
#include 
#include 

int main() {
    // 將一個(gè)返回值為7的 lambda 表達(dá)式封裝到 task 中
    // std::packaged_task 的模板參數(shù)為要封裝函數(shù)的類型
    std::packaged_task<int()> task([](){return 7;});
    // 獲得 task 的期物
    std::future<int> result = task.get_future(); // 在一個(gè)線程中執(zhí)行 task
    std::thread(std::move(task)).detach();
    std::cout << "waiting...";
    result.wait(); // 在此設(shè)置屏障，阻塞到期物的完成
    // 輸出執(zhí)行結(jié)果
    std::cout << "done!" << std:: endl << "future result is " << result.get() << std::endl;
    return 0;
}

在封裝好要調(diào)用的目標(biāo)后，可以使用?get_future()?來(lái)獲得一個(gè)?std::future?對(duì)象，以便之后實(shí)施線程同步。

條件變量

條件變量?std::condition_variable?是為了解決死鎖而生，當(dāng)互斥操作不夠用而引入的。比如，線程可能需要等待某個(gè)條件為真才能繼續(xù)執(zhí)行， 而一個(gè)忙等待循環(huán)中可能會(huì)導(dǎo)致所有其他線程都無(wú)法進(jìn)入臨界區(qū)使得條件為真時(shí)，就會(huì)發(fā)生死鎖。

所以，condition_variable 實(shí)例被創(chuàng)建出現(xiàn)主要就是用于喚醒等待線程從而避免死鎖。?

std::condition_variable的 notify_one()?用于喚醒一個(gè)線程；notify_all()?則是通知所有線程。下面是一個(gè)生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型的例子：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


int main() {
    std::queue<int> produced_nums;
    std::mutex mtx;
    std::condition_variable cv;
    bool notified = false;  // 通知信號(hào)

    // 生產(chǎn)者
    auto producer = [&]() {
        for (int i = 0; ; i++) {
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(900));
            std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
            std::cout << "producing " << i << std::endl;
            produced_nums.push(i);
            notified = true;
            cv.notify_all(); // 此處也可以使用 notify_one
        }
    };
    // 消費(fèi)者
    auto consumer = [&]() {
        while (true) {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
            while (!notified) {  // 避免虛假喚醒
                cv.wait(lock);
            }
            // 短暫取消鎖，使得生產(chǎn)者有機(jī)會(huì)在消費(fèi)者消費(fèi)空前繼續(xù)生產(chǎn)
            lock.unlock();
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000)); // 消費(fèi)者慢于生產(chǎn)者
            lock.lock();
            while (!produced_nums.empty()) {
                std::cout << "consuming " << produced_nums.front() << std::endl;
                produced_nums.pop();
            }
            notified = false;
        }
    };

    // 分別在不同的線程中運(yùn)行
    std::thread p(producer);
    std::thread cs[2];
    for (int i = 0; i < 2; ++i) {
        cs[i] = std::thread(consumer);
    }
    p.join();
    for (int i = 0; i < 2; ++i) {
        cs[i].join();
    }
    return 0;
}

值得一提的是，在生產(chǎn)者中我們雖然可以使用 notify_one()，但實(shí)際上并不建議在此處使用， 因?yàn)樵诙嘞M(fèi)者的情況下，我們的消費(fèi)者實(shí)現(xiàn)中簡(jiǎn)單放棄了鎖的持有，這使得可能讓其他消費(fèi)者 爭(zhēng)奪此鎖，從而更好的利用多個(gè)消費(fèi)者之間的并發(fā)。

話雖如此，但實(shí)際上因?yàn)?std::mutex 的排他性， 我們根本無(wú)法期待多個(gè)消費(fèi)者能真正意義上的并行消費(fèi)隊(duì)列的中生產(chǎn)的內(nèi)容，我們?nèi)孕枰６雀?xì)的手段。

來(lái)源：https://changkun.de/modern-cpp/zh-cn/07-thread/index.html