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thread类
C++11新特性支持线程，使得C++在并行编程中不需要使用第三方库，并且在原子操作中还引入了原子类的概念。要使用标准库中的thread需要包含头文件thread。点击查看thread类。
下面介绍thread类常用的成员函数：
通过thread对象，我们可以使其关联一个线程用来控制线程和获取线程的状态。
当我们创建了一个thread对象，并且分配给该线程一个函数，该线程就会运行该函数，与主线程一起运行。具体地，线程函数一般情况下可按照以下三种方式提供：
- 函数指针
- lamdba表达式
- 函数对象
下面给出启动线程的样例：
#include <iostream>
using namespace std;
#include <thread>
void ThreadFunc(int a)
{
cout << "Thread1" << a << endl;
}
class TF
{
public:
void operator()()
{
cout << "Thread3" << endl;
}
};
int main()
{
// 线程函数为函数指针
thread t1(ThreadFunc, 10);
// 线程函数为lambda表达式
thread t2([]{cout << "Thread2" << endl; });
// 线程函数为函数对象
TF tf;
thread t3(tf);
t1.join();
t2.join();
t3.join();
cout << "Main thread!" << endl;
return 0;
}
在分配给线程函数的时候，线程才开始正式启动。
关于thread类的其它特性：
- thread类是 不允许拷贝的，但是可以移动构造和移动赋值。这一点查看C++手册中关于thread类的成员函数声明就可以看到：
- 可以采用joinable()函数判断该线程是否有效，如果是以下任何情况，线程无效（这里的无效是指线程没有运行函数）：
- 采用无参构造函数构造的线程对象，因为该对象并未关联真正的线程
- 线程对象的状态已经转移给其它线程对象，比如移动赋值给了另一个thread对象
- 线程已经detach分离或者join结束
线程函数参数
观察下面代码：
#include<iostream>
#include <thread>
using namespace std;
void ThreadFunc1(int& x)
{
x += 10;
}
int main()
{
int a = 10;
thread t1(ThreadFunc1, a);
t1.join();
cout << a << endl;
return 0;
}
上面代码运行发现失败了
对于上面代码的函数ThreadFunc1，创建一个线程去运行失败了。但是主线程调用却没有问题：
为什么会这样呢？
原因在于，thread 并不会自动将传递的参数转换为引用，这导致 ThreadFunc1 在运行时没有接收到引用，从而产生编译错误或运行时错误。也就是说，thread构造函数并不会区分被传递的函数参数a是否是一个引用类型。我们可以使用ref函数来显示传递引用,比如：
注意：如果是类成员函数作为线程参数时，必须将this作为线程函数参数。也可以使用bind和function包装器提前绑定this参数，这一点在之前的博客中有介绍。
并行与并发的区别
- 概念上来看，并发是指同一时间段内多个线程一起运行，而并行是同一时刻内多个线程一起运行。
- 并行需要多个处理核心，同一时刻多个处理器可以处理不同的线程。
- 并发在单核通过快速切换任务实现
原子性操作库
有了线程库，C++可以很方便的进行多线程并发编程，但是伴随而来的线程安全问题也需要解决。线程安全问题其实就是多个线程访问共享资源导致数据不一致。虽然在C98就可以通过加锁来解决线程安全问题，但是加锁会导致其他线程进入阻塞等待，这会影响程序运行的效率，而且加锁使用不当可能造成死锁问题。于是C++11引入了原子操作（需要引入头文件atomic）。所谓原子操作：即不可被中断的一个或一系列操作，C++11引入的原子操作类型，使得线程间数据的同步变得非常高效。 下面是常见的一些原子类型的名称：
观察下面代码运行结果：
我们发现，由于两个线程同时访问sum，使得sum最后得到的结果无法确定。
现在给出使用原子操作的代码样例并观察结果：
在上面代码中，我们将sum定义成一个原子类型，后面在对sum进行的操作就都是原子性的， 我们不需要对原子类型变量进行加锁解锁操作，线程能够对原子类型变量互斥的访问。 上面代码中的atomic_int也可以用atomic模板实例化来代替。比如：
atomic<int>sum(1);
关于atomic类模板
程序员可以使用atomic类模板，定义出需要的任意原子类型。
atmoic<T> t; // 声明一个类型为T的原子类型变量t
注意：原子类型通常属于"资源型"数据，多个线程只能访问单个原子类型的拷贝，因此在C++11中，原子类型只能从其模板参数中进行构造，不允许原子类型进行拷贝构造、移动构造以及operator=等，为了防止意外，标准库已经将atmoic模板类中的拷贝构造、移动构造、赋值运算符重载默认删除掉了。 这一点查看手册可以看到：
对比锁和原子操作
atomic和加锁都是用于多线程编程中实现同步和防止竞争条件的技术，它们之间的区别是什么呢？
- atomic适用于简单的、独立的操作，类似于上面的sum++。
- atomic依赖底层硬件指令，如Compare-And-Swap指令
- 显式加锁会显式的阻塞其他线程
- 加锁适用范围广，多用于复杂的、多个操作需要作为一个整体进行的场景。
- 使用锁可能导致死锁
lock_guard与unique_lock
在多线程环境下，如果想要保证某个变量的安全性，只要将其设置成对应的原子类型即可，即高效又不容易出现死锁问题。但是有些情况下，我们可能需要保证一段代码的安全性，那么就只能通过锁的方式来进行控制。 使用锁需要引入头文件mutex。
比如：一个线程对变量number进行加一100次，另外一个减一100次，每次操作加一或者减一之后，输出number的结果，要求：number最后的值为1。
上面代码的问题，如果在锁中间发生了某种异常导致线程直接终止，这个时候锁没有得到释放，就会造成死锁问题。虽然上面的代码看起来不会发生什么异常，但是有时候我们需要在一些复杂的临界区上加锁，中间发生异常的概率就会大大提高。为了避免线程得到锁之后意外终止线程从而导致死锁问题，C++11采用RAII的方式对锁进行了封装，即lock_guard和unique_lock。
lock_guard
std::lock_gurad 是 C++11 中定义的模板类。定义如下：
template<class _Mutex>
class lock_guard
{
public:
// 在构造lock_gard时，_Mtx还没有被上锁
explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx)
: _MyMutex(_Mtx)
{
_MyMutex.lock();
}
// 在构造lock_gard时，_Mtx已经被上锁，此处不需要再上锁
lock_guard(_Mutex& _Mtx, adopt_lock_t)
: _MyMutex(_Mtx)
{}
~lock_guard() _NOEXCEPT
{
_MyMutex.unlock();
}
lock_guard(const lock_guard&) = delete;
lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
_Mutex& _MyMutex;
};
仔细观察上面的代码我们就能发现为什么lock_guard能解决之前的问题。借用类的构造函数和析构函数，我们将锁传递给lock_guard的构造函数，并由这个构造函数来进行上锁。栈帧销毁时，自动调用lock_guard对象的析构函数，该析构函数实现了释放锁的操作。这样一来，即使在上锁之后临界区因为某种异常退出，也不会造成死锁，因为只要结束线程函数，lock_guard就会自动销毁从而释放锁。更具体的说，lock_guard将锁与对象的生命周期进行绑定。值得注意的是，和上面的一些类模板一样，lock_guard类对象也是禁止拷贝构造赋值拷贝。
虽然lock_guard使用起来很方便，但是无灵活性：不支持延迟锁定、提前解锁或重新锁定等操作。
unique_lock
与lock_gard类似，unique_lock类模板也是采用RAII的方式对锁进行了封装，并且也是以独占所有权的方式管理mutex对象的上锁和解锁操作，即其对象之间不能发生拷贝。在构造(或移动(move)赋值)时，unique_lock 对象需要传递一个 Mutex 对象作为它的参数，新创建的 unique_lock 对象负责传入的 Mutex 对象的上锁和解锁操作。使用以上类型互斥量实例化unique_lock的对象时，自动调用构造函数上锁，unique_lock对象销毁时自动调用析构函数解锁，可以很方便的防止死锁问题。（说白了和lock_guard主要功能差不多）
与lock_guard不同的是，unique_lock更加的灵活：
- 可以延迟锁定、提前解锁和重新锁定
- 适用于条件变量的等待，因为它可以暂时释放锁，并在条件满足后重新锁定。
虽然unique_lock比lock_guard更加灵活，但是相应的额外开销也就较大。
两个线程交替打印奇数和偶数
为了实现交替打印，这里使用了条件变量condition_variable类,和linux中的条件变量其实是类似的，下面这个类进行简单的介绍。
主要成员函数有：
- wait：使线程阻塞，直到接收到通知或条件满足
- notify_one：通知一个等待中的线程。
- notify_all：通知所有等待中的线程。
其中在调用 wait 时，需要提供一个 lambda 函数或条件检查，确保只有在条件满足时才继续执行。
#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<condition_variable>
using namespace std;
mutex mtx;
condition_variable c;
int n = 100;
bool flag = true;
void PrintEven()//打印偶数
{
int i = 0;
while (i <= n) {
unique_lock<mutex> lock(mtx);
c.wait(lock, [&]() ->bool{return flag; });//flag为true的时候继续打印偶数
cout << i << endl;
i += 2;
flag = false;
c.notify_one();//唤醒
}
}
void PrintOdd()//打印奇数
{
int i = 1;
while (i <= n) {
unique_lock<mutex> lock(mtx);
c.wait(lock, [&]() ->bool {return !flag; });//flag为false的时候继续打印奇数
cout << i << endl;
i += 2;
flag = true;
c.notify_one();
}
}
int main() {
thread t1(PrintEven);
thread t2(PrintOdd);
t1.join();
t2.join();
}
