目录
std::this_thread::sleep_until()
3. std::this_thread::sleep_for()
4. std::this_thread::sleep_until()
4.3、std::this_thread::sleep_for 与 std::this_thread::sleep_until 的区别
注:sleep_for 与 sleep_until 对比示例
4. 使用 std::scoped_lock 同时锁定多个互斥量
std::unique_lock 与 std::lock_guard 的区别
七、std::condition_variable::wait
std::condition_variable::wait 的原理
A、线程/多线程基础
一、C++11 创建线程的几种方式
1.1 使用函数指针
#include <iostream>
#include <thread>
void threadFunction(int x) {
std::cout << "Thread function called with value: " << x << std::endl;
}
int main() {
std::thread t(threadFunction, 10);
t.join(); // 等待线程执行完毕
return 0;
}
1.2 使用 lambda 表达式
#include <iostream>
#include <thread>
int main() {
std::thread t([](int x) {
std::cout << "Lambda thread called with value: " << x << std::endl;
}, 20);
t.join(); // 等待线程执行完毕
return 0;
}
1.3 使用成员函数
#include <iostream>
#include <thread>
class MyClass {
public:
void memberFunction(int x) {
std::cout << "Member function called with value: " << x << std::endl;
}
};
int main() {
MyClass obj;
std::thread t(&MyClass::memberFunction, &obj, 30);
t.join(); // 等待线程执行完毕
return 0;
}
1.4 使用可调用对象 (Functor)
#include <iostream>
#include <thread>
class Functor {
public:
void operator()(int x) {
std::cout << "Functor called with value: " << x << std::endl;
}
};
int main() {
Functor functor;
std::thread t(functor, 40);
t.join(); // 等待线程执行完毕
return 0;
}
二、定义一个线程类
#include <iostream>
#include <thread>
class ThreadClass {
private:
std::thread t;
public:
// 构造函数，接受函数和参数来启动线程
template <typename Callable, typename... Args>
explicit ThreadClass(Callable&& func, Args&&... args) {
t = std::thread(std::forward<Callable>(func), std::forward<Args>(args)...);
}
// 加入线程（等待线程完成）
void join() {
if (t.joinable()) {
t.join();
}
}
// 分离线程（让线程独立运行）
void detach() {
if (t.joinable()) {
t.detach();
}
}
// 析构函数，确保线程对象在销毁前已被处理
~ThreadClass() {
if (t.joinable()) {
t.join(); // 通常在析构时，选择 join 或 detach 来处理未处理的线程
}
}
};
void threadFunction(int x) {
std::cout << "Thread function running with value: " << x << std::endl;
}
int main() {
// 使用类来管理线程
ThreadClass threadObj(threadFunction, 50);
threadObj.join(); // 等待线程完成
return 0;
}
三、join() 与 detach() 的详细用法及区别
3.1 join() 的用法
#include <iostream>
#include <thread>
void task() {
std::cout << "Task is running in thread." << std::endl;
}
int main() {
std::thread t(task);
// 主线程等待子线程完成
std::cout << "Waiting for thread to finish..." << std::endl;
t.join(); // 阻塞，直到子线程完成
std::cout << "Thread has finished." << std::endl;
return 0;
}
解释：
3.2 detach() 的用法
示例：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
void task() {
std::cout << "Detached thread is running." << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟耗时操作
std::cout << "Detached thread finished." << std::endl;
}
int main() {
std::thread t(task);
// 分离线程，允许其在后台运行
t.detach();
// 主线程不等待子线程完成，继续执行
std::cout << "Main thread is not waiting for detached thread." << std::endl;
// 模拟主线程的其他操作
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
std::cout << "Main thread finished." << std::endl;
return 0;
}
解释：
3.3 join() 与 detach() 的区别总结
四、std::this_thread
4.1、主要功能
4.2、各方法的用法及适用场景
总结
std::this_thread 提供了一个简单而强大的接口，用于控制当前线程的行为，包括：
- 获取当前线程的 ID：有助于在调试和日志记录中识别不同线程。
- 让出线程的执行权：通过
yield()提高 CPU 使用效率，允许系统调度其他线程。 - 让线程休眠：可以使用
sleep_for或sleep_until暂时暂停线程的执行，应用场景包括定时任务、延迟执行等。
这些工具使得 C++11 开始的多线程编程变得更加灵活和易于控制。
五、std::mutex 详解
std::mutex 是 C++11 引入的一种线程同步机制，用于在多线程环境下防止数据竞争（race condition）。在多线程程序中，如果多个线程同时访问并修改同一个共享数据，会导致数据竞争问题，造成不可预知的错误。std::mutex（互斥量）提供了一种机制，确保每次只有一个线程能够访问共享资源，其他线程必须等待，直到前一个线程释放互斥量。
主要功能
lock()：锁定互斥量。如果互斥量已经被其他线程锁定，则调用lock()的线程将会阻塞，直到该互斥量被解锁。unlock()：解锁互斥量，允许其他线程锁定它。try_lock()：尝试锁定互斥量。如果互斥量已被其他线程锁定，则返回false，否则锁定并返回true。
使用场景
代码示例
1. 基本使用 std::mutex
这是一个简单的例子，展示了如何使用 std::mutex 来保护共享数据（计数器），防止多个线程同时修改它。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx; // 全局互斥量，用于同步对共享数据的访问
int counter = 0; // 共享资源
void increaseCounter() {
for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
mtx.lock(); // 锁定互斥量，进入临界区
++counter; // 对共享数据进行操作
mtx.unlock(); // 解锁互斥量，离开临界区
}
}
int main() {
// 创建两个线程，执行 increaseCounter 函数
std::thread t1(increaseCounter);
std::thread t2(increaseCounter);
// 等待两个线程完成
t1.join();
t2.join();
// 输出最终的计数器值
std::cout << "Final counter value: " << counter << std::endl;
return 0;
}
解释：
- 互斥量
mtx：在每个线程访问共享资源之前使用lock()来锁定互斥量，保证在任何时候只有一个线程可以修改counter变量。 - 临界区：临界区是指
mtx.lock()和mtx.unlock()之间的代码区域，即对共享资源的访问部分。 - 线程安全：在互斥量的保护下，两个线程不会同时修改
counter，因此保证了线程安全。
输出示例：
Final counter value: 20000
如果没有使用 std::mutex，两个线程可能同时访问并修改 counter，导致最后输出的值小于预期的 20000，因为多个线程可能在同一时刻操作同一内存位置，发生了数据竞争。
2. 使用 try_lock()
try_lock() 是 std::mutex 提供的另一个方法，它不会阻塞线程。如果互斥量已经被锁定，try_lock() 会立即返回 false，而不是阻塞等待。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx; // 全局互斥量
void printMessage(const std::string& msg) {
if (mtx.try_lock()) { // 尝试获取锁，如果成功则执行
std::cout << msg << std::endl;
mtx.unlock(); // 解锁
} else {
std::cout << "Lock busy, couldn't print: " << msg << std::endl;
}
}
int main() {
std::thread t1(printMessage, "Hello from Thread 1");
std::thread t2(printMessage, "Hello from Thread 2");
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
解释：
try_lock()方法尝试锁定互斥量。如果成功获取锁，它就进入临界区执行输出操作；如果未能获取锁，说明其他线程已锁定了互斥量，则输出 "Lock busy"。
输出示例：
Hello from Thread 1
Lock busy, couldn't print: Hello from Thread 2
3. 使用 std::lock_guard 简化互斥锁管理
C++11 提供了 std::lock_guard，它是一个 RAII 风格的锁管理器，在作用域结束时自动释放锁，避免了手动 lock() 和 unlock() 可能引发的错误。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx; // 全局互斥量
int counter = 0; // 共享资源
void increaseCounter() {
for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 自动锁定互斥量，作用域结束时自动解锁
++counter;
}
}
int main() {
std::thread t1(increaseCounter);
std::thread t2(increaseCounter);
t1.join();
t2.join();
std::cout << "Final counter value: " << counter << std::endl;
return 0;
}
解释：
std::lock_guard是一个模板类，管理互斥锁的生命周期。它在构造时自动锁定互斥量，在作用域结束时（例如函数返回或异常抛出时）自动解锁，避免了忘记解锁或出现死锁的情况。
输出示例：
Final counter value: 20000
4. 使用 std::scoped_lock 同时锁定多个互斥量
C++17 引入了 std::scoped_lock，它不仅可以同时锁定多个互斥量，还能防止死锁。std::scoped_lock 是 std::lock_guard 的改进版，特别适用于需要同时锁定多个资源的场景。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx1, mtx2; // 两个互斥量
void task1() {
std::scoped_lock lock(mtx1, mtx2); // 同时锁定 mtx1 和 mtx2
std::cout << "Task 1 has locked both mutexes." << std::endl;
}
void task2() {
std::scoped_lock lock(mtx1, mtx2); // 同时锁定 mtx1 和 mtx2
std::cout << "Task 2 has locked both mutexes." << std::endl;
}
int main() {
std::thread t1(task1);
std::thread t2(task2);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
解释：
std::scoped_lock同时锁定多个互斥量，并且能避免死锁。它会确保在解锁时，以相反顺序解锁，从而避免了交叉锁定不同互斥量时可能发生的死锁问题。
输出示例：
Task 1 has locked both mutexes.
Task 2 has locked both mutexes.
重要注意事项
- 锁的生命周期：互斥量应该在所有访问共享资源的线程中共享。一个线程加锁后，其他线程必须等待该锁被解锁才能继续执行。
- 防止死锁：在多个互斥量之间锁定时（如同时访问多个资源），应小心防止死锁。死锁发生在多个线程相互等待其他线程释放锁的情况下。使用
std::scoped_lock可以简化锁定多个资源时的死锁管理。 lock_guard和scoped_lock的推荐使用：lock_guard和scoped_lock是 RAII 风格的锁管理工具，推荐使用这些工具来管理锁的生命周期，避免手动lock()和unlock()可能引发的错误。
总结
std::mutex 是 C++11 提供的基本线程同步工具，用于解决多线程编程中的数据竞争问题。通过互斥量可以确保同一时刻只有一个线程能够访问共享资源，防止多个线程同时修改数据而导致不可预测的行为。结合 std::lock_guard 和 std::scoped_lock，可以更简便地管理锁的生命周期，确保代码更加安全和高效。
六、std::unique_lock
- 可以延迟锁定互斥量（懒惰锁定）。
- 可以在需要时手动解锁和重新锁定。
- 可以使用
std::try_lock、std::defer_lock和std::adopt_lock等高级锁定策略。
主要功能：
使用示例
1. 基本使用：自动锁定与解锁
std::unique_lock 可以像 std::lock_guard 一样，在构造时自动锁定互斥量，并在析构时自动解锁。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx; // 全局互斥量
int counter = 0; // 共享资源
void increaseCounter() {
for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); // 自动锁定互斥量
++counter; // 临界区
// lock 会在作用域结束时自动解锁
}
}
int main() {
std::thread t1(increaseCounter);
std::thread t2(increaseCounter);
t1.join();
t2.join();
std::cout << "Final counter value: " << counter << std::endl;
return 0;
}
解释：
std::unique_lock的构造函数会立即锁定互斥量mtx，并且当lock作用域结束时，它会自动解锁。这种机制避免了手动调用unlock()的必要。
2. 手动锁定与解锁
你可以通过 std::unique_lock 对互斥量进行手动锁定和解锁操作，控制更为灵活。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx;
void task() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx, std::defer_lock); // 延迟锁定互斥量
std::cout << "Before locking" << std::endl;
lock.lock(); // 手动锁定互斥量
std::cout << "Locked and working..." << std::endl;
lock.unlock(); // 手动解锁
std::cout << "Unlocked" << std::endl;
}
int main() {
std::thread t(task);
t.join();
return 0;
}
解释：
- 这里使用了
std::defer_lock，std::unique_lock在构造时不会自动锁定互斥量。随后，我们手动调用了lock()和unlock()来控制互斥量的锁定和解锁过程。
3. 使用 try_lock 尝试锁定
std::unique_lock 还可以用于尝试锁定互斥量，而不阻塞线程。如果锁定失败，线程可以继续执行其他任务。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx;
void task() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx, std::try_to_lock); // 尝试锁定互斥量
if (lock.owns_lock()) {
std::cout << "Lock acquired, working..." << std::endl;
} else {
std::cout << "Couldn't acquire lock, doing other work..." << std::endl;
}
}
int main() {
std::thread t1(task);
std::thread t2(task);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
解释：
- 通过
std::try_to_lock，线程会尝试锁定互斥量。如果无法锁定，程序可以继续执行其他任务，而不是阻塞等待锁的释放。 owns_lock()可以检查std::unique_lock是否成功锁定互斥量。
4. 使用 adopt_lock 接管已经锁定的互斥量
如果你手动锁定了互斥量，但希望将它交给 std::unique_lock 来管理，可以使用 std::adopt_lock。这会告诉 std::unique_lock，互斥量已经被锁定，不再需要再次锁定。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx;
void task() {
mtx.lock(); // 手动锁定互斥量
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx, std::adopt_lock); // 接管锁
std::cout << "Lock adopted, working..." << std::endl;
// lock 会在作用域结束时自动解锁
}
int main() {
std::thread t(task);
t.join();
return 0;
}
std::unique_lock 与 std::lock_guard 的区别
-
灵活性：
std::lock_guard在构造时立即锁定互斥量，并在销毁时自动解锁。它适合用于简单的锁管理。std::unique_lock提供了更多灵活的功能，如延迟锁定、尝试锁定、手动解锁等。它适用于需要复杂锁定逻辑的场景。
-
锁的控制：
std::lock_guard不允许手动解锁，只能在作用域结束时解锁。std::unique_lock允许在代码中手动调用unlock()，并且可以手动重新锁定。
-
性能：
- 由于
std::lock_guard更简单，通常它的性能要比std::unique_lock稍高一些。但如果你的程序不需要std::unique_lock的灵活性，优先使用std::lock_guard会更高效。
- 由于
总结
std::unique_lock 是一个灵活的锁管理工具，适合处理复杂的线程同步场景。它与 std::lock_guard 的区别在于其灵活的控制能力：支持延迟锁定、手动解锁、尝试锁定等操作。此外，std::unique_lock 可以使用 std::defer_lock、std::try_to_lock 和 std::adopt_lock 等锁定策略，适用于需要更精细控制的场景。在简单的锁定场景中，std::lock_guard 更适合，而 std::unique_lock 则适用于需要更多灵活性的场景。
七、std::condition_variable::wait
是 C++11 中引入的一个机制，用于在线程同步时协调多个线程之间的执行。它与 std::mutex 和 std::unique_lock 配合使用，用于阻塞线程直到特定条件满足。
std::condition_variable::wait 的原理
- 互斥锁：
wait()必须与一个互斥锁（std::unique_lock）一起使用。它在调用wait()时会自动释放锁，进入等待状态，并在被通知时重新获取锁。 - 条件变量：
wait()用于阻塞线程，直到另一个线程通过条件变量调用notify_one()或notify_all()来通知等待线程可以继续执行。 - 通知机制：
notify_one()：唤醒一个等待的线程。notify_all()：唤醒所有等待的线程。
wait() 的使用场景
典型的 wait() 使用场景是生产者-消费者问题。在这种情况下，消费者等待生产者生成数据，而生产者在生成数据后通知消费者继续处理。
代码示例
1. 基本使用 wait() 和 notify_one()
这是一个简单的示例，其中一个线程等待某个条件满足，而另一个线程在一定时间后设置条件并通知等待的线程继续执行。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
std::mutex mtx; // 互斥锁
std::condition_variable cv; // 条件变量
bool ready = false; // 条件标志
void waitForWork() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); // 获取锁
std::cout << "Waiting for work to be ready...\n";
// 当 ready 为 false 时，线程进入等待状态，锁被自动释放
cv.wait(lock, [] { return ready; });
// 当 ready 为 true 时，wait 结束，线程重新获取锁
std::cout << "Work is ready, proceeding...\n";
}
void prepareWork() {
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟工作准备
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 获取锁并设置条件
ready = true;
std::cout << "Work is prepared, notifying worker...\n";
}
cv.notify_one(); // 通知等待线程可以继续执行
}
int main() {
std::thread worker(waitForWork); // 创建等待线程
std::thread preparer(prepareWork); // 创建准备线程
worker.join();
preparer.join();
return 0;
}
解释：
wait()：在waitForWork()函数中，调用cv.wait(lock, [] { return ready; })，它将当前线程阻塞，直到ready变为true。wait()在等待期间自动释放锁，避免其他线程无法获取锁。notify_one()：在prepareWork()函数中，调用cv.notify_one()通知等待的线程（waitForWork）可以继续执行。- 锁的管理：
wait()和notify_one()都需要与互斥锁配合使用，以保证线程之间的同步。
输出示例：
Waiting for work to be ready...
Work is prepared, notifying worker...
Work is ready, proceeding...
2. 使用 notify_all() 唤醒所有等待线程
notify_all() 可以唤醒所有因条件不满足而阻塞的线程。这对于多个线程等待同一个条件的场景非常有用。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <vector>
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;
void worker(int id) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, [] { return ready; }); // 所有线程都等待 ready 为 true
std::cout << "Worker " << id << " is proceeding.\n";
}
void prepareWork() {
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟工作准备
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
ready = true;
std::cout << "Work is ready, notifying all workers...\n";
}
cv.notify_all(); // 通知所有等待的线程
}
int main() {
std::vector<std::thread> workers;
// 创建多个线程
for (int i = 1; i <= 5; ++i) {
workers.emplace_back(worker, i);
}
std::thread preparer(prepareWork); // 创建准备线程
// 等待所有线程完成
for (auto& t : workers) {
t.join();
}
preparer.join();
return 0;
}
解释：
notify_all()：notify_all()会唤醒所有等待的线程，这里唤醒了 5 个worker线程。- 多线程等待：所有
worker线程都会在cv.wait()中等待，直到ready变为true并且收到通知。
输出示例：
Work is ready, notifying all workers...
Worker 1 is proceeding.
Worker 2 is proceeding.
Worker 3 is proceeding.
Worker 4 is proceeding.
Worker 5 is proceeding.
3. 防止虚假唤醒
虚假唤醒（spurious wakeups）是指线程在没有被条件变量显式唤醒的情况下，也可能会被唤醒。这是操作系统的特性，因此我们在使用 wait() 时应该总是配合条件判断来避免这种情况。
为了避免虚假唤醒，C++ 中的 wait() 提供了一种安全的模式，即使用条件判断的 lambda 表达式来确保条件满足时才继续执行。
cv.wait(lock, [] { return ready; });
这个版本的 wait() 会在 ready 为 false 时继续阻塞线程，直到条件真正满足。
4. wait_for() 和 wait_until()
除了 wait() 之外，C++11 还提供了 wait_for() 和 wait_until() 方法，允许我们指定等待的时间。如果在指定的时间内条件未满足，线程会超时并继续执行。
wait_for()：阻塞线程一段时间，超时后线程自动返回。wait_until()：阻塞线程直到某个时间点，超时后线程自动返回。
4.1 使用 wait_for() 超时等待
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <chrono>
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;
void worker() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
if (cv.wait_for(lock, std::chrono::seconds(3), [] { return ready; })) {
std::cout << "Work is ready, proceeding...\n";
} else {
std::cout << "Timeout, work is not ready.\n";
}
}
void prepareWork() {
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5)); // 模拟准备时间
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
ready = true;
std::cout << "Work is prepared, notifying worker...\n";
}
cv.notify_one();
}
int main() {
std::thread t1(worker);
std::thread t2(prepareWork);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
解释：
wait_for()：等待 3 秒，如果ready在 3 秒内没有变为true，线程会超时并继续执行。- 超时处理：如果超过等待时间，线程会输出 "Timeout, work is not ready."。
输出示例：
Timeout, work is not ready.
Work is prepared, notifying worker...
4.2 使用 wait_until() 等待到指定时间点
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <chrono>
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;
void worker() {
auto timeout = std::chrono::system_clock::now() + std::chrono::seconds(3);
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
if (cv.wait_until(lock, timeout, [] { return ready; })) {
std::cout << "Work is ready, proceeding...\n";
} else {
std::cout << "Timeout, work is not ready.\n";
}
}
void prepareWork() {
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5)); // 模拟准备时间
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
ready = true;
std::cout << "Work is prepared, notifying worker...\n";
}
cv.notify_one();
}
int main() {
std::thread t1(worker);
std::thread t2(prepareWork);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
解释：
wait_until()：等待到指定时间点，如果在这个时间点前ready变为true，线程会继续执行；否则超时。
输出示例：
Timeout, work is not ready.
Work is prepared, notifying worker...
总结
std::condition_variable::wait用于协调线程之间的同步，它可以让一个线程在等待某个条件满足时进入等待状态，并通过条件变量的notify_one()或notify_all()来唤醒线程。wait()需要与std::mutex和std::unique_lock配合使用，以保证线程在等待期间不会造成数据竞争。wait_for()和wait_until()提供了超时等待机制，允许线程在指定的时间内等待条件满足，否则超时返回。
