C++11並發編程

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     C++11開始支援多線程編程，之前多線程編程都需要系統的支援，在不同的系統下建立線程需要不同的API如pthread_create()，Createthread()，beginthread()等。現在C++11中引入了一個新的線程庫,C++11提供了新標頭檔,主要包含 <thread>、<mutex>、<atomic>、<condition_varible>、<future>五個部分;<thread>等用於支援多線程，同時包含了用於啟動、管理線程的諸多工具，同時，該庫還提供了包括像互斥量、鎖、原子量等在內的同步機制。在這個系列的文章中，我將嘗試和大家分享這個新庫提供的部分特性

為了讓你的代碼支援多線程庫，你環境上的編譯器必須支援 C++11，不過幸運的是現在絕大部分的編譯器都支援C++11了，除非你手頭上的編譯器版本是古董層級了，真這樣的話，還是建議你趕快升級，不光是為了這次的學習，後面你肯定會用上的。

多線程編程的好處

在看本文之前，如果對什麼是線程、什麼是進程仍存有疑惑，請先Google之，這兩個概念不在本文的範圍之內。用多線程只有一個目的，那就是更好的利用cpu的資源，下面兩個圖很好的反應了這點。

以單cpu為例，假如有個進程，進程功能是從網路上接受資料，將接收到的資料進行處理。我們知道，網路上的資料是有時延的，甚至在你接收資料的這段時間內由於網路等問題接收不到資料，如果是單線程的進程，那麼此時你的進程什麼也做不了，苦苦的在等待對端的資料。此時cpu被浪費了（假設系統就這一個進程，不考慮將進程切換到其它進程的）。

如果進程含有兩個線程，一個線程專門接收資料，暫且叫做A線程吧；另外一個線程專門負責處理接收的資料，就叫B線程吧。那麼情況就不一樣了，當由於網路等問題接收不到資料時，阻塞的只是A線程，完全可以通過某種調度機制將cpu調度給B線程讓其工作。這樣，cpu得到了最大的利用而不至於浪費在那兒。

好了，既然線程的用處這麼大，C++11又加了支援多線程的庫，那麼讓我們一窺其廬山真面目吧。

如何啟動一個線程

在C++11中，啟動一個新的線程非常簡單，當你建立一個 std::thread 的執行個體時，它便會自行啟動。同時在建立線程執行個體時，須提供給該線程一段將要執行的函數，方法之一是在建立線程執行個體傳遞一個函數指標。

好吧，不管學什麼程式設計語言，Hello world!感覺總是不會少的，這彷彿已經成為了一個標準。這次我們仍以經典的 "Hello world” 為例來向大家如何建立一個線程：  

#include <thread>#include <iostream>void hello(){    std::cout << "Hello world from thread !"               << std::endl;}int main(){    std::thread t(hello);    t.join();    return 0;}

[[email protected] c++]# g++ -std=c++11 -o a a.cpp[[email protected] c++]# ./aterminate called after throwing an instance of 'std::system_error'  what():  Enable multithreading to use std::thread: Operation not permitted已放棄

雲行時報錯了，編譯的時候加上-lpthread

[[email protected] c++]# g++ -std=c++11 -lpthread -o a a.cpp[[email protected] c++]# ./aHello world from thread !

看到了吧，首先，我們引入了標頭檔<thread>。在這個標頭檔中，C++11 提供了管理線程的類和函數。之後，我們定義了一個無傳回型別的函數hello，這個函數除了在標準輸出資料流中列印一行文字之外什麼也不做。而後，我們定義了一個 std::thread 類型的變數 t，在定義的時候用hello函數名（其實就是一個函數指標）作為 std::thread 類建構函式的參數 。

這個例子中值得注意的是函數 join()。調用join()將導致當前線程等待被 join 的線程結束（在本例中即線程 main 必須等待線程 t結束後方可繼續執行）。如果你不調用 join() ，其結果是未定義的 —— 程式可能如你所願列印出 "Hello world  from thread" 以及一個換行，但是也可能只列印出 "Hello world  from thread" 卻沒有換行，甚至什麼都不做，那是因為線程 main 可能線上程 t結束之前就返回了。 

其次還需注意的就是在編譯的時候需加上參數-std=c++11，否則編譯不過。

使用Lambda運算式啟動線程

如果線程所要執行的代碼非常短小時，你完全沒必要專門為之建立一個函數，取而代之的是使用 Lambda 運算式（關於Lambda 運算式，有興趣的朋友可以上網查查它的用法，它也是C++11新加入的特性）。我們可以很輕易地將上述例子改寫為使用 Lambda 運算式的形式： 

#include <thread>#include <iostream>int main(){    std::thread t([](){       std::cout << "Hello world from thread                !"<< std::endl;});       t.join();    return 0;}

[[email protected] c++]# ./b

Hello world from thread                !

如上，我們使用了 Lambda 運算式替換掉原來的函數指標。不需要任何懷疑，這段代碼和之前使用函數指標的代碼實現了完全相同的功能。 

給你的線程執行函數加上參數

是不是覺得開啟一個線程就是為了列印一句話有點小題大做是吧，好的，我們現在是該做點什麼了。在上個線程函數的基礎上，除了列印一句話，我們再加個功能：接受兩個參數，計算它們的和並列印出。

#include <thread>#include <iostream>//線程執行函數接受兩個int型別參數void hello(int x,int y){   std::cout<<"Hello world from thread !" <<std::endl;   std::cout<<"x+y=" <<x+y <<std::endl;}int main(){  std::thread t (hello,10,20);  t.join();  return 0;}

[[email protected] c++]# ./c
Hello world from thread !
x+y=30

程式的運行結果正是我們想要的，沒錯，向線程函數傳參就是這麼簡單：在建立線程執行個體的時候和函數指標一起傳遞過去

區分線程

我們可以回一下我們是如何區分進程的？每個進程都有一個編號，稱為pid（進程id），我們就是通過它來區分不同的進程，不光是我們人，其實作業系統也是通過這個pid來區分管理不同的進程。 

線程也一樣， 每個線程都有唯一的 ID 以便我們加以區分，我們稱之為tid（線程id）。使用 std::this_thread 類的 get_id() 便可擷取對應線程的tid。下面的例子將建立一些線程並使用 std::this_thread::get_id() 來擷取當前線程的tid,並列印出：

#include <thread>#include <iostream>#include <vector>void hello(){       std::cout << "Hello world from thread: "               << std::this_thread::get_id()               << std::endl;}int main(){    std::vector<std::thread> threads;    for(int i = 0; i < 6; ++i)    {         threads.push_back(std::thread(hello));    }    for(auto& thread : threads)    {        thread.join();    }   return 0;}

[[email protected] c++]# ./threadHello world from thread: Hello world from thread: Hello world from thread: Hello world from thread: 140598791485184140598816663296140598799877888Hello world from thread: 140598783092480Hello world from thread: 140598774699776140598808270592[[email protected] c++]# ./threadHello world from thread: 140198417712896Hello world from thread: 140198409320192Hello world from thread: 140198392534784Hello world from thread: 140198375749376Hello world from thread: 140198384142080Hello world from thread: 140198400927488

看到沒，上述結果我肯定不是你所希望看到的，結果似乎混亂了，如果你在你的電腦上多運行幾遍，甚至還會出現其它各種結果，那麼這種匪夷所思的運行結果究竟是什麼原因導致的？

我們知道線程之間是交叉啟動並執行，在上面這個例子，我們並沒有去控制線程的執行順序，某個線程在運行期間可能隨時被搶佔， 同時可以看到，上面例子的ostream 分幾個步驟（首先輸出一個 string，然後是 ID，最後輸出換行），因此三個線程可能先都只執行了第一個步驟將 Hello world from thread 列印出來，然後每個線程都依次執行完剩餘的兩個步驟（列印ID，然後換行），這就導致了上面的運行結果。

那麼有沒有方法解決上面的問題了，答案是肯定的，接下來我們將看到如何使用鎖機制控制線程的執行順序。

 

#include <thread>#include <iostream>#include <vector>pthread_mutex_t  lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void hello(){       pthread_mutex_lock(&lock);           std::cout << "Hello world from thread: "               << std::this_thread::get_id()               << std::endl;    pthread_mutex_unlock(&lock);}int main(){    std::vector<std::thread> threads;    for(int i = 0; i < 6; ++i)    {         //pthread_mutex_lock(&lock);        threads.push_back(std::thread(hello));        //pthread_mutex_unlock(&lock);    }    for(auto& thread : threads)    {        thread.join();    }   return 0;}

 

[[email protected] c++]# ./threadHello world from thread: 140515972613888Hello world from thread: 140515939043072Hello world from thread: 140515930650368Hello world from thread: 140515964221184Hello world from thread: 140515955828480Hello world from thread: 140515947435776[[email protected] c++]# ./threadHello world from thread: 140654524454656Hello world from thread: 140654532847360Hello world from thread: 140654516061952Hello world from thread: 140654507669248Hello world from thread: 140654499276544Hello world from thread: 140654490883840

看到沒有，現在再執行thread程式的時候，就不會亂了。

轉載了碼農有道，並把後部分完成了。

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