详解C++11中的线程锁和条件变量
线程
std::thread类, 位于<thread>头文件,实现了线程操作。std::thread可以和普通函数和 lambda 表达式搭配使用。它还允许向线程的执行函数传递任意多参数。
#include <thread> void func() { // do some work } int main() { std::thread t(func); t.join(); return 0; }
上面的例子中,t是一个线程实例,函数func()在该线程运行。调用join()函数是为了阻塞当前线程(此处即主线程),直到t线程执行完毕。线程函数的返回值都会被忽略,但线程函数接受任意数目的输入参数。
void func(int i, double d, const std::string& s) { std::cout << i << ", " << d << ", " << s << std::endl; } int main() { std::thread t(func, 1, 12.50, "sample"); t.join(); return 0; }
虽然可以向线程函数传递任意多参数,但都必须以值传递。如果需以引用传递,则必须以std::ref或std::cref封装,如下例所示:
void func(int& a) { a++; } int main() { int a = 42; std::thread t(func, std::ref(a)); t.join(); std::stringcout << a << std::endl; return 0; }
这个程序会打印43,但如果不用std::ref封装,则输出会是42。
除了join函数,这个类还提供更多的操作:
swap:交换两个线程实例的句柄
detach:允许一个线程继续独立于线程实例运行;detach 过的线程不可以再 join
int main() { std::thread t(funct); t.detach(); return 0; }
一个重要的知识点是,如果一个线程函数抛出异常,并不会被常规的try-catch方法捕获。也就是说,下面的写法是不会奏效的:
try { std::thread t1(func); std::thread t2(func); t1.join(); t2.join(); } catch(const std::exception& ex) { std::cout << ex.what() << std::endl; }
要追踪线程间的异常,你可以在线程函数内捕获,暂时存储在一个稍后可以访问的结构内。
std::mutex g_mutex; std::vector<std::exception_ptr> g_exceptions; void throw_function() { throw std::exception("something wrong happened"); } void func() { try { throw_function(); } catch(...) { std::lock_guard<std::mutex> lock(g_mutex); g_exceptions.push_back(std::current_exception()); } } int main() { g_exceptions.clear(); std::thread t(func); t.join(); for(auto& e : g_exceptions) { try { if(e != nullptr) { std::rethrow_exception(e); } } catch(const std::exception& e) { std::cout << e.what() << std::endl; } } return 0; }
关于捕获和处理异常,更深入的信息可以参看Handling C++ exceptions thrown from worker thread in the main thread和How can I propagate exceptions between threads?。
此外,值得注意的是,头文件还在 `std::this_thread` 命名空间下提供了一些辅助函数:
- get_id: 返回当前线程的 id
- yield: 告知调度器运行其他线程,可用于当前处于繁忙的等待状态
- sleep_for:给定时长,阻塞当前线程
- sleep_until:阻塞当前线程至给定时间点
锁
在上个例子中,我们需要对g_exceptions这个 vector 的访问进行同步处理,确保同一时刻只有一个线程能向它插入新的元素。为此我使用了一个 mutex 和一个锁(lock)。mutex 是同步操作的主体,在 C++ 11 的<mutex>头文件中,有四种风格的实现:
- mutex:提供了核心的lock()unlock()方法,以及当 mutex 不可用时就会返回的非阻塞方法try_lock()
- recursive_mutex:允许同一线程内对同一 mutex 的多重持有
- timed_mutex: 与mutex类似,但多了try_lock_for()try_lock_until()两个方法,用于在特定时长里持有 mutex,或持有 mutex 直到某个特定时间点
- recursive_timed_mutex:recursive_mutex和timed_mutex的结合
下面是一个使用std::mutex的例子(注意get_id()和sleep_for()两个辅助方法的使用)。
#include <iostream> #include <thread> #include <mutex> #include <chrono> std::mutex g_lock; void func() { g_lock.lock(); std::cout << "entered thread " << std::this_thread::get_id() << std::endl; std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(rand() % 10)); std::cout << "leaving thread " << std::this_thread::get_id() << std::endl; g_lock.unlock(); } int main() { srand((unsigned int)time(0)); std::thread t1(func); std::thread t2(func); std::thread t3(func); t1.join(); t2.join(); t3.join(); return 0; }
输出如下:
entered thread 10144
leaving thread 10144
entered thread 4188
leaving thread 4188
entered thread 3424
leaving thread 3424
lock()unlock()两个方法应该很好懂,前者锁住 mutex,如果该 mutex 不可用,则阻塞线程;稍后,后者解锁线程。
下面一个例子展示了一个简单的线程安全的容器(内部使用了std::vector)。该容器提供用于添加单一元素的add()方法,以及添加多个元素的addrange()方法(内部调用add()实现)。
注意:尽管如此,下面会指出,由于va_args的使用等原因,这个容器并非真正线程安全。此外,dump()方法不应属于容器,在实际实现中它应该作为一个独立的辅助函数。这个例子的目的仅仅是展示 mutex 的相关概念,而非实现一个完整的线程安全的容器。
template <typename T> class container { std::mutex _lock; std::vector<T> _elements; public: void add(T element) { _lock.lock(); _elements.push_back(element); _lock.unlock(); } void addrange(int num, ...) { va_list arguments; va_start(arguments, num); for (int i = 0; i < num; i++) { _lock.lock(); add(va_arg(arguments, T)); _lock.unlock(); } va_end(arguments); } void dump() { _lock.lock(); for(auto e : _elements) std::cout << e << std::endl; _lock.unlock(); } }; void func(container<int>& cont) { cont.addrange(3, rand(), rand(), rand()); } int main() { srand((unsigned int)time(0)); container<int> cont; std::thread t1(func, std::ref(cont)); std::thread t2(func, std::ref(cont)); std::thread t3(func, std::ref(cont)); t1.join(); t2.join(); t3.join(); cont.dump(); return 0; }
当你运行这个程序时,会进入死锁。原因:在 mutex 被释放前,容器尝试多次持有它,这显然不可能。这就是为什么引入std::recursive_mutex,它允许一个线程对 mutex 多重持有。允许的最大持有次数并不确定,但当达到上限时,线程锁会抛出std::system_error错误。因此,要解决上面例子的错误,除了修改addrange令其不再调用lock和unlock之外,可以用std::recursive_mutex代替mutex。
template <typename T> class container { std::recursive_mutex _lock; // ... };
成功输出:
6334
18467
41
6334
18467
41
6334
18467
41
敏锐的读者可能注意到,每次调用func()输出的都是相同的数字。这是因为,seed 是线程局部量,调用srand()只会在主线程中初始化 seed,在其他工作线程中 seed 并未被初始化,所以每次得到的数字都是一样的。
手动加锁和解锁可能造成问题,比如忘记解锁或锁的次序出错,都会造成死锁。C++ 11 标准提供了若干类和函数来解决这个问题。封装类允许以 RAII 风格使用 mutex,在一个锁的生存周期内自动加锁和解锁。这些封装类包括:
lock_guard:当一个实例被创建时,会尝试持有 mutex (通过调用lock());当实例销毁时,自动释放 mutex (通过调用unlock())。不允许拷贝。
unique_lock:通用 mutex 封装类,与lock_guard不同,还支持延迟锁、计时锁、递归锁、移交锁的持有权,以及使用条件变量。不允许拷贝,但允许转移(move)。
借助这些封装类,可以把容器改写为:
template <typename T> class container { std::recursive_mutex _lock; std::vector<T> _elements; public: void add(T element) { std::lock_guard<std::recursive_mutex> locker(_lock); _elements.push_back(element); } void addrange(int num, ...) { va_list arguments; va_start(arguments, num); for (int i = 0; i < num; i++) { std::lock_guard<std::recursive_mutex> locker(_lock); add(va_arg(arguments, T)); } va_end(arguments); } void dump() { std::lock_guard<std::recursive_mutex> locker(_lock); for(auto e : _elements) std::cout << e << std::endl; } };
读者可能会提出,dump()方法不更改容器的状态,应该设为 const。但如果你添加 const 关键字,会得到如下编译错误:
‘std::lock_guard<_Mutex>::lock_guard(_Mutex &)' : cannot convert parameter 1 from ‘const std::recursive_mutex' to ‘std::recursive_mutex &'
一个 mutex (不管何种风格)必须被持有和释放,这意味着lock()unlock方法必被调用,这两个方法是 non-const 的。所以,逻辑上lock_guard的声明不能是 const (若该方法 为 const,则 mutex 也为 const)。这个问题的解决办法是,将 mutex 设为mutable。mutable允许由 const 方法更改 mutex 状态。不过,这种用法仅限于隐式的,或「元(meta)」状态——譬如,运算过的高速缓存、检索完成的数据,使得下次调用能瞬间完成;或者,改变像 mutex 之类的位元,仅仅作为一个对象的实际状态的补充。
template <typename T> class container { mutable std::recursive_mutex _lock; std::vector<T> _elements; public: void dump() const { std::lock_guard<std::recursive_mutex> locker(_lock); for(auto e : _elements) std::cout << e << std::endl; } };
这些封装类锁的构造函数可以通过重载的声明来指定锁的策略。可用的策略有:
- defer_lock_t类型的defer_lock:不持有 mutex
- try_to_lock_t类型的try_to_lock: 尝试持有 mutex 而不阻塞线程
- adopt_lock_t类型的adopt_lock:假定调用它的线程已持有 mutex
这些策略的声明方式如下:
struct defer_lock_t { }; struct try_to_lock_t { }; struct adopt_lock_t { }; constexpr std::defer_lock_t defer_lock = std::defer_lock_t(); constexpr std::try_to_lock_t try_to_lock = std::try_to_lock_t(); constexpr std::adopt_lock_t adopt_lock = std::adopt_lock_t();
除了这些 mutex 封装类之外,标准库还提供了两个方法用于锁住一个或多个 mutex:
lock:锁住 mutex,通过一个避免了死锁的算法(通过调用lock(),try_lock()和unlock()实现)
try_lock:尝试通过调用try_lock()来调用多个 mutex,调用次序由 mutex 的指定次序而定
下面是一个死锁案例:有一个元素容器,以及一个exchange()函数用于互换两个容器里的某个元素。为了实现线程安全,这个函数通过一个和容器关联的 mutex,对这两个容器的访问进行同步。
template <typename T> class container { public: std::mutex _lock; std::set<T> _elements; void add(T element) { _elements.insert(element); } void remove(T element) { _elements.erase(element); } }; void exchange(container<int>& cont1, container<int>& cont2, int value) { cont1._lock.lock(); std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // <-- forces context switch to simulate the deadlock cont2._lock.lock(); cont1.remove(value); cont2.add(value); cont1._lock.unlock(); cont2._lock.unlock(); }
假如这个函数在两个线程中被调用,在其中一个线程中,一个元素被移出容器 1 而加到容器 2;在另一个线程中,它被移出容器 2 而加到容器 1。这可能导致死锁——当一个线程刚持有第一个锁,程序马上切入另一个线程的时候。
int main() { srand((unsigned int)time(NULL)); container<int> cont1; cont1.add(1); cont1.add(2); cont1.add(3); container<int> cont2; cont2.add(4); cont2.add(5); cont2.add(6); std::thread t1(exchange, std::ref(cont1), std::ref(cont2), 3); std::thread t2(exchange, std::ref(cont2), std::ref(cont1), 6); t1.join(); t2.join(); return 0; }
要解决这个问题,可以使用std::lock,保证所有的锁都以不会死锁的方式被持有:
void exchange(container<int>& cont1, container<int>& cont2, int value) { std::lock(cont1._lock, cont2._lock); cont1.remove(value); cont2.add(value); cont1._lock.unlock(); cont2._lock.unlock(); }
条件变量
C++ 11 提供的另一个同步机制是条件变量,用于阻塞一个或多个线程,直到接收到另一个线程的通知信号,或暂停信号,或伪唤醒信号。在<condition_variable>头文件里,有两个风格的条件变量实现:
condition_variable:所有需要等待这个条件变量的线程,必须先持有一个std::unique_lock
condition_variable_any:更通用的实现,任何满足锁的基本条件(提供lock()和unlock()功能)的类型都可以使用;在性能和系统资源占用方面可能消耗更多,因而只有在它的灵活性成为必需的情况下才应优先使用
条件变量的工作机制如下:
至少有一个线程在等待某个条件成立。等待的线程必须先持有一个unique_lock锁。这个锁被传递给wait()方法,这会释放 mutex,阻塞线程直至条件变量收到通知信号。当收到通知信号,线程唤醒,重新持有锁。
至少有一个线程在发送条件成立的通知信号。信号的发送可以用notify_one()方法, 只解锁任意一个正在等待通知信号的线程,也可以用notify_all()方法, 解锁所有等待条件成立信号的线程。
在多核处理器系统上,由于使条件唤醒完全可预测的某些复杂机制的存在,可能发生伪唤醒,即一个线程在没有别的线程发送通知信号时也会唤醒。因而,当线程唤醒时,检查条件是否成立是必要的。而且,伪唤醒可能多次发生,所以条件检查要在一个循环里进行。
下面的代码展示使用条件变量进行线程同步的实例: 几个工作员线程在运行过程中会产生错误,他们将错误码存在一个队列里。一个记录员线程处理这些错误码,将错误码从记录队列里取出并打印出来。工作员会在发生错误时,给记录员发送信号。记录员则等待条件变量的通知信号。为了避免伪唤醒,等待工作放在一个检查布尔值的循环内。
#include <thread> #include <mutex> #include <condition_variable> #include <iostream> #include <queue> #include <random> std::mutex g_lockprint; std::mutex g_lockqueue; std::condition_variable g_queuecheck; std::queue<int> g_codes; bool g_done; bool g_notified; void workerfunc(int id, std::mt19937& generator) { // print a starting message { std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockprint); std::cout << "[worker " << id << "]\trunning..." << std::endl; } // simulate work std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1 + generator() % 5)); // simulate error int errorcode = id*100+1; { std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockprint); std::cout << "[worker " << id << "]\tan error occurred: " << errorcode << std::endl; } // notify error to be logged { std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockqueue); g_codes.push(errorcode); g_notified = true; g_queuecheck.notify_one(); } } void loggerfunc() { // print a starting message { std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockprint); std::cout << "[logger]\trunning..." << std::endl; } // loop until end is signaled while(!g_done) { std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockqueue); while(!g_notified) // used to avoid spurious wakeups { g_queuecheck.wait(locker); } // if there are error codes in the queue process them while(!g_codes.empty()) { std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockprint); std::cout << "[logger]\tprocessing error: " << g_codes.front() << std::endl; g_codes.pop(); } g_notified = false; } } int main() { // initialize a random generator std::mt19937 generator((unsigned int)std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch().count()); // start the logger std::thread loggerthread(loggerfunc); // start the working threads std::vector<std::thread> threads; for(int i = 0; i < 5; ++i) { threads.push_back(std::thread(workerfunc, i+1, std::ref(generator))); } // work for the workers to finish for(auto& t : threads) t.join(); // notify the logger to finish and wait for it g_done = true; loggerthread.join(); return 0; }
运行这个程序,输出如下(注意这个输出在每次运行下都会改变,因为每个工作员线程的工作和休眠的时间间隔是任意的):
[logger] running...
[worker 1] running...
[worker 2] running...
[worker 3] running...
[worker 4] running...
[worker 5] running...
[worker 1] an error occurred: 101
[worker 2] an error occurred: 201
[logger] processing error: 101
[logger] processing error: 201
[worker 5] an error occurred: 501
[logger] processing error: 501
[worker 3] an error occurred: 301
[worker 4] an error occurred: 401
[logger] processing error: 301
[logger] processing error: 401
上面的wait()有两个重载:
其中一个只需要传入一个unique_lock;这个重载方法释放锁,阻塞线程并将其添加到一个等待该条件变量的线程队列里;该线程在收到条件变量通知信号或伪唤醒时唤醒,这时锁被重新持有,函数返回。
另外一个在unique_lock之外,还接收一个谓词(predicate),循环直至其返回 false;这个重载可用于避免伪唤醒,其功能类似于:
while(!predicate()) wait(lock);
于是,上面例子中布尔值g_notified可以不用,而代之以wait的接收谓词的重载,用于确认状态队列的状态(是否为空):
void workerfunc(int id, std::mt19937& generator) { // print a starting message { std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockprint); std::cout << "[worker " << id << "]\trunning..." << std::endl; } // simulate work std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1 + generator() % 5)); // simulate error int errorcode = id*100+1; { std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockprint); std::cout << "[worker " << id << "]\tan error occurred: " << errorcode << std::endl; } // notify error to be logged { std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockqueue); g_codes.push(errorcode); g_queuecheck.notify_one(); } } void loggerfunc() { // print a starting message { std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockprint); std::cout << "[logger]\trunning..." << std::endl; } // loop until end is signaled while(!g_done) { std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockqueue); g_queuecheck.wait(locker, [&](){return !g_codes.empty();}); // if there are error codes in the queue process them while(!g_codes.empty()) { std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockprint); std::cout << "[logger]\tprocessing error: " << g_codes.front() << std::endl; g_codes.pop(); } } }
除了可重载的wait(),还有另外两个等待方法,都有类似的接收谓词以避免伪唤醒的重载方法:
wait_for:阻塞线程,直至收到条件变量通知信号,或指定时间段已过去。
wait_until:阻塞线程,直到收到条件变量通知信号,或指定时间点已达到。
这两个方法如果不传入谓词,会返回一个cv_status,告知是到达设定时间还是线程因条件变量通知信号或伪唤醒而唤醒。
标准库还提供了notify_all_at_thread_exit方法,实现了通知其他线程某个给定线程已经结束,以及销毁所有thread_local实例的机制。引入这个方法的原因是,在使用thread_local时, 等待一些通过非join()机制引入的线程可能造成错误行为,因为在等待的线程恢复或可能结束之后,他们的析构方法可能还在被调用(参看N3070和N2880)。特别的,对这个函数的一个调用,必须发生在线程刚好退出之前。下面是一个notify_all_at_thread_exit和condition_variable搭配使用来同步两个线程的实例:
std::mutex g_lockprint; std::mutex g_lock; std::condition_variable g_signal; bool g_done; void workerfunc(std::mt19937& generator) { { std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockprint); std::cout << "worker running..." << std::endl; } std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1 + generator() % 5)); { std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockprint); std::cout << "worker finished..." << std::endl; } std::unique_lock<std::mutex> lock(g_lock); g_done = true; std::notify_all_at_thread_exit(g_signal, std::move(lock)); } int main() { // initialize a random generator std::mt19937 generator((unsigned int)std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch().count()); std::cout << "main running..." << std::endl; std::thread worker(workerfunc, std::ref(generator)); worker.detach(); std::cout << "main crunching..." << std::endl; std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1 + generator() % 5)); { std::unique_lock<std::mutex> locker(g_lockprint); std::cout << "main waiting for worker..." << std::endl; } std::unique_lock<std::mutex> lock(g_lock); while(!g_done) // avoid spurious wake-ups g_signal.wait(lock); std::cout << "main finished..." << std::endl; return 0; }
如果 worker 在主线程之前结束,输出如下:
main running...
worker running...
main crunching...
worker finished...
main waiting for worker...
main finished...
如果主线程在 worker 线程之前结束,输出如下:
main running...
worker running...
main crunching...
main waiting for worker...
worker finished...
main finished...
小结
<thread>头文件提供代表操作线程thread类和配套辅助方法。<mutex>头文件提供几种 mutex 互斥锁及封装类,提供多线程同步访问机制。<condition_variable>提供两种条件变量的实现,支持阻塞一个或多个线程直至接收到另一个线程发送的通知信号,或到达设定时间,或发生伪唤醒。建议读者对相关话题进行拓展阅读。
以上就是详解C++11中的线程锁和条件变量的详细内容,更多关于C++11中的线程锁和条件变量的资料请关注我们其它相关文章!