本文创建于 2024-12-04；修改于 2024-12-04；

1.1 线程 thread

C++11 中提供的线程类叫做 std：：thread，基于这个类创建一个新的线程非常的简单，只需要提供线程函效或者函效对象即可，并且可以同时指定线雇函数的參数。我们首先来了解一下这个类提供的一些常用 API ：

1.2 互斥量

C++11提供如下4种语义的互斥量（mutex）：

  • std::mutex，独占的互斥量，不能递归使用
  • std::time_mutex，带超时的独占互斥量，不能递归使用
  • std::recursive_mutex，递归互斥量，不带超时功能
  • std::recursive_timed_mutex，带超时的递归互斥量

lock_guard 和 unique_lock

lock_guard

  1. std:lock_guard 在构造函数中进行加锁，析构函数中进行解锁。

unique_lock

  1. .unique_ lock 是通用互斥包装體，允许延迟锁定、锁定的有时限尝试、递归锁定、所有权转移和与条件交量一同使用。
  2. unique_ lockttlock_guard使用更加灵活，功能更加强大。
  3. 使用unique_lock需要付出更多的时间、性能成本。

使用场景：需要结合notify+wait的场景使用unique_lock；如果只是单纯的互斥使用lock guard

1.3 条件变量

条件变量的成员函数

1. wait

包含两种重载，第一种只包含unique_lock对象，另外一个Predicate 对象（等待条件），这里必须使用unique_lock，因为wait函数的工作原理

  • 当前线程调用wait() 后将被阻塞并且函数会解锁互斥量、直到另外某个线程调用notify_one或者notify_all唤醒当前线程；一旦当前线程获得通知（notify），wait() 函数也是自动调用lock()，同理不能使用lock guard对象；
  • 如果wait没有第二个参数，第一次调用默认条件不成立，直接解锁互斥量并阻塞到本行，直到某一个线程调用notify_one或notify_all为止，被唤醒后，wait重新尝试获取互斥量，如果得不到，线程会卡在这里，直到获取到互斥量，然后无条件地继续进行后面的操作。
  • 如果wait包含第二个参数，如果第二个参数不满足，那么wait将解锁互斥量并堵塞到本行，直到某一个线程调用notify_one或notify_all为止，被唤醒后，wait重新尝试获取互斥量，如果得不到，线程会卡在这里，直到获取到互斥量，然后继续判断第二个参数，如果表达式为false，wait对互斥量解锁，然后休眠，如果为true，则进行后面的操作。
2. wait_for

和wait不同的是，wait_for可以执行一个时间段，在线程收到唤醒通知或者时间超时之前，该线程都会处于阻塞状态，如果收到唤醒通知或者时间超时，wait_for返回，剩下操作和wait类似。

3. wait_until

函数原型：

void notify_one() noexcept;

作用：

与wait_for类似，只是wait_unti可以指定一个时间点，在当前线程收到通知或者指定的时间点超时之前，该线程 都会处于阻塞状态。如果超时或者收到唤醒通知，wait_until返回，剩下操作和wait类似

4. notify_one

函数原型：

void notify_one() noexcept;

作用：

解锁正在等待当前条件的线程中的一个，如果没有线程在等待，则函数不执行任何操作，如果正在等待的线程多余一个，则唤醒的线程是不确定的

5. notify_all

函数原型：

void notify_all() noexcept;

作用：

解锁正在等待当前条件的所有线程，如果没有正在等待的线程，则函数不执行任何操作。

1.4 原子变量

原子变量的作用大白话解释就是，把CPU对某一个数据的读(CPU从内存中读取数据)、修改(CPU对数据进行修改)、写(写回到内存)三步操作定义为一个整体操作，这个操作不可再被分割，必须一口气执行完读、修改、写三步操作。

atomic类

对原子变量对象的操作分为写、修改、读三种：

写：

store

exchange

赋值运算符 =

修改：

fetch_add

fetch_sub

fetch_and

fetch_or

fetch_xor

读：

load

#include <atomic>
#include <iostream>
#include <string>

class Base
{
public:
    Base(const std::string &name, const int age) :
        m_Name(name), m_Age(age) {}
    std::string m_Name;
    int m_Age;
};

int main(int argc, const char **argv)
{
    // 声明 atomic 对象
    std::atomic<char> a = 'a'; // 模版方法声明 atomic 对象
    std::atomic_int b; // 特化类型方法声明 atomic 对象，但是没有初始化
    std::atomic_init(&b, 9); // 使用 init 函数初始化 atomic 对象

    // 对 atomic 对象进行修改
    a.store('A');
    auto bb = b.exchange(99);
    b.fetch_add(1);

    // 指针类型
    Base base("luffy", 18);
    std::atomic<Base *> atc_base(&base);
    auto tmp = atc_base.load();

    // 打印结果
    std::cout << "a value: " << a.load() << std::endl;
    std::cout << "b value: " << b.load() << std::endl;
    std::cout << "bb value: " << bb << std::endl;
    std::cout << "base value: " << tmp->m_Name << " " << tmp->m_Age << std::endl;

    return 0;
}

使用原子变量进行线程同步

对需要保护的数据使用原子变量类型即可，注意不能是复合类型或浮点数类型。

内存顺序约束

1.5 异步操作

  • std:future类：异步指向某个任务，然后通过future特性去获取任务函数的返回结果。
    • get()
    • wait()
    • wait_for()
    • wait_until()
  • std:promise：协助线程赋值的类，能够将数据和future对象绑定，为获取线程函数中的某个值提供便利。
    • set_value
    • set_value_at_thread_exit
  • std:aysnc：异步运行某个任务函数
  • std:packaged_task：将任务和feature绑定在一起的模板，是一种封装对任务的封装。