c++11关于并发引入了好多好东西，这里按照如下顺序介绍：

• std::thread相关
• std::mutex相关
• std::lock相关
• std::atomic相关
• std::call_once相关
• volatile相关
• std::condition_variable相关
• std::future相关
• async相关
  
  

std::thread相关

c++11之前你可能使用pthread_xxx来创建线程，繁琐且不易读，c++11引入了std::thread来创建线程，支持对线程join或者detach。直接看代码：

1. 
   
2. #include <iostream>
   
3. #include <thread>
   
4. 
   
5. using namespace std;
   
6. 
   
7. int main() {
   
8.    auto func = []() {
   
9.        for (int i = 0; i < 10; ++i) {
   
10.            cout << i << " ";
    
11.       }
    
12.        cout << endl;
    
13.   };
    
14.    std::thread t(func);
    
15.    if (t.joinable()) {
    
16.        t.detach();
    
17.   }
    
18.    auto func1 = [](int k) {
    
19.        for (int i = 0; i < k; ++i) {
    
20.            cout << i << " ";
    
21.       }
    
22.        cout << endl;
    
23.   };
    
24.    std::thread tt(func1, 20);
    
25.    if (tt.joinable()) { // 检查线程可否被join
    
26.        tt.join();
    
27.   }
    
28.    return 0;
    
29. }

复制代码

上述代码中，函数func和func1运行在线程对象t和tt中，从刚创建对象开始就会新建一个线程用于执行函数，调用join函数将会阻塞主线程，直到线程函数执行结束，线程函数的返回值将会被忽略。如果不希望线程被阻塞执行，可以调用线程对象的detach函数，表示将线程和线程对象分离。

如果没有调用join或者detach函数，假如线程函数执行时间较长，此时线程对象的生命周期结束调用析构函数清理资源，这时可能会发生错误，这里有两种解决办法，一个是调用join()，保证线程函数的生命周期和线程对象的生命周期相同，另一个是调用detach()，将线程和线程对象分离，这里需要注意，如果线程已经和对象分离，那我们就再也无法控制线程什么时候结束了，不能再通过join来等待线程执行完。

这里可以对thread进行封装，避免没有调用join或者detach可导致程序出错的情况出现：

1. 
   
2. class ThreadGuard {
   
3.   public:
   
4.    enum class DesAction { join, detach };
   
5. 
   
6.    ThreadGuard(std::thread&& t, DesAction a) : t_(std::move(t)), action_(a){};
   
7. 
   
8.    ~ThreadGuard() {
   
9.        if (t_.joinable()) {
   
10.            if (action_ == DesAction::join) {
    
11.                t_.join();
    
12.           } else {
    
13.                t_.detach();
    
14.           }
    
15.   }
    
16.   }
    
17. 
    
18.    ThreadGuard(ThreadGuard&&) = default;
    
19.    ThreadGuard& operator=(ThreadGuard&&) = default;
    
20. 
    
21.    std::thread& get() { return t_; }
    
22. 
    
23.   private:
    
24.    std::thread t_;
    
25.    DesAction action_;
    
26. };
    
27. 
    
28. int main() {
    
29.    ThreadGuard t(std::thread([]() {
    
30.        for (int i = 0; i < 10; ++i) {
    
31.            std::cout << "thread guard " << i << " ";
    
32.       }
    
33.        std::cout << std::endl;}), ThreadGuard::DesAction::join);
    
34.    return 0;
    
35. }

复制代码

c++11还提供了获取线程id，或者系统cpu个数，获取thread native_handle，使得线程休眠等功能

1. 
   
2. std::thread t(func);
   
3. cout << "当前线程ID " << t.get_id() << endl;
   
4. cout << "当前cpu个数 " << std::thread::hardware_concurrency() << endl;
   
5. auto handle = t.native_handle();// handle可用于pthread相关操作
   
6. std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

复制代码

std::mutex相关

std::mutex是一种线程同步的手段，用于保存多线程同时操作的共享数据。

mutex分为四种：

• std::mutex：独占的互斥量，不能递归使用，不带超时功能
• std::recursive_mutex：递归互斥量，可重入，不带超时功能
• std::timed_mutex：带超时的互斥量，不能递归
• std::recursive_timed_mutex：带超时的互斥量，可以递归使用
  
  

拿一个std::mutex和std::timed_mutex举例吧，别的都是类似的使用方式：

std::mutex:

1. 
   
2. #include <iostream>
   
3. #include <mutex>
   
4. #include <thread>
   
5. 
   
6. using namespace std;
   
7. std::mutex mutex_;
   
8. 
   
9. int main() {
   
10.    auto func1 = [](int k) {
    
11.        mutex_.lock();
    
12.        for (int i = 0; i < k; ++i) {
    
13.            cout << i << " ";
    
14.       }
    
15.        cout << endl;
    
16.        mutex_.unlock();
    
17.   };
    
18.    std::thread threads[5];
    
19.    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
    
20.        threads[i] = std::thread(func1, 200);
    
21.   }
    
22.    for (auto& th : threads) {
    
23.        th.join();
    
24.   }
    
25.    return 0;
    
26. }

复制代码

std::timed_mutex:

1. 
   
2. #include <iostream>
   
3. #include <mutex>
   
4. #include <thread>
   
5. #include <chrono>
   
6. 
   
7. using namespace std;
   
8. std::timed_mutex timed_mutex_;
   
9. 
   
10. int main() {
    
11.    auto func1 = [](int k) {
    
12.        timed_mutex_.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200));
    
13.        for (int i = 0; i < k; ++i) {
    
14.            cout << i << " ";
    
15.       }
    
16.        cout << endl;
    
17.        timed_mutex_.unlock();
    
18.   };
    
19.    std::thread threads[5];
    
20.    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
    
21.        threads[i] = std::thread(func1, 200);
    
22.   }
    
23.    for (auto& th : threads) {
    
24.        th.join();
    
25.   }
    
26.    return 0;
    
27. }

复制代码

std::lock相关

这里主要介绍两种RAII方式的锁封装，可以动态的释放锁资源，防止线程由于编码失误导致一直持有锁。

c++11主要有std::lock_guard和std::unique_lock两种方式，使用方式都类似，如下：

1. 
   
2. #include <iostream>
   
3. #include <mutex>
   
4. #include <thread>
   
5. #include <chrono>
   
6. 
   
7. using namespace std;
   
8. std::mutex mutex_;
   
9. 
   
10. int main() {
    
11.    auto func1 = [](int k) {
    
12.        // std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
    
13.        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
    
14.        for (int i = 0; i < k; ++i) {
    
15.            cout << i << " ";
    
16.       }
    
17.        cout << endl;
    
18.   };
    
19.    std::thread threads[5];
    
20.    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
    
21.        threads[i] = std::thread(func1, 200);
    
22.   }
    
23.    for (auto& th : threads) {
    
24.        th.join();
    
25.   }
    
26.    return 0;
    
27. }

复制代码

std::lock_gurad相比于std::unique_lock更加轻量级，少了一些成员函数，std::unique_lock类有unlock函数，可以手动释放锁，所以条件变量都配合std::unique_lock使用，而不是std::lock_guard，因为条件变量在wait时需要有手动释放锁的能力，具体关于条件变量后面会讲到。

std::atomic相关

c++11提供了原子类型std::atomic<T>，理论上这个T可以是任意类型，但是我平时只存放整形，别的还真的没用过，整形有这种原子变量已经足够方便，就不需要使用std::mutex来保护该变量啦。看一个计数器的代码：

1. 
   
2. struct OriginCounter { // 普通的计数器
   
3.    int count;
   
4.    std::mutex mutex_;
   
5.    void add() {
   
6.        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
   
7.        ++count;
   
8.   }
   
9. 
   
10.    void sub() {
    
11.        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
    
12.        --count;
    
13.   }
    
14. 
    
15.    int get() {
    
16.        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
    
17.        return count;
    
18.   }
    
19. };
    
20. 
    
21. struct NewCounter { // 使用原子变量的计数器
    
22.    std::atomic<int> count;
    
23.    void add() {
    
24.        ++count;
    
25.        // count.store(++count);这种方式也可以
    
26.   }
    
27. 
    
28.    void sub() {
    
29.        --count;
    
30.        // count.store(--count);
    
31.   }
    
32. 
    
33.    int get() {
    
34.        return count.load();
    
35.   }
    
36. };

复制代码

是不是使用原子变量更加方便了呢？

std::call_once相关

c++11提供了std::call_once来保证某一函数在多线程环境中只调用一次，它需要配合std:nce_flag使用，直接看使用代码吧：

1. 
   
2. std::once_flag onceflag;
   
3. 
   
4. void CallOnce() {
   
5.    std::call_once(onceflag, []() {
   
6.        cout << "call once" << endl;
   
7.   });
   
8. }
   
9. 
   
10. int main() {
    
11.    std::thread threads[5];
    
12.    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
    
13.        threads[i] = std::thread(CallOnce);
    
14.   }
    
15.    for (auto& th : threads) {
    
16.        th.join();
    
17.   }
    
18.    return 0;
    
19. }

复制代码

volatile相关

貌似把volatile放在并发里介绍不太合适，但是貌似很多人都会把volatile和多线程联系在一起，那就一起介绍下吧。

volatile通常用来建立内存屏障，volatile修饰的变量，编译器对访问该变量的代码通常不再进行优化，看下面代码：

1. 
   
2. int *p = xxx;
   
3. int a = *p;
   
4. int b = *p;

复制代码

a和b都等于p指向的值，一般编译器会对此做优化，把*p的值放入寄存器，就是传说中的工作内存(不是主内存)，之后a和b都等于寄存器的值，但是如果中间p地址的值改变，内存上的值改变啦，但a,b还是从寄存器中取的值(不一定，看编译器优化结果)，这就不符合需求，所以在此对p加volatile修饰可以避免进行此类优化。

注意：volatile不能解决多线程安全问题，针对特种内存才需要使用volatile，它和atomic的特点如下：
• std::atomic用于多线程访问的数据，且不用互斥量，用于并发编程中
• volatile用于读写操作不可以被优化掉的内存，用于特种内存中


std::condition_variable相关

条件变量是c++11引入的一种同步机制，它可以阻塞一个线程或者个线程，直到有线程通知或者超时才会唤醒正在阻塞的线程，条件变量需要和锁配合使用，这里的锁就是上面介绍的std::unique_lock。

这里使用条件变量实现一个CountDownLatch：

1. 
   
2. class CountDownLatch {
   
3.    public:
   
4.     explicit CountDownLatch(uint32_t count) : count_(count);
   
5. 
   
6.     void CountDown() {
   
7.         std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
   
8.         --count_;
   
9.         if (count_ == 0) {
   
10.             cv_.notify_all();
    
11.         }
    
12.     }
    
13. 
    
14.     void Await(uint32_t time_ms = 0) {
    
15.         std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
    
16.         while (count_ > 0) {
    
17.             if (time_ms > 0) {
    
18.                 cv_.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(time_ms));
    
19.             } else {
    
20.                 cv_.wait(lock);
    
21.             }
    
22.         }
    
23.     }
    
24. 
    
25.     uint32_t GetCount() const {
    
26.         std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
    
27.       return count_;
    
28.     }
    
29. 
    
30.    private:
    
31.     std::condition_variable cv_;
    
32.     mutable std::mutex mutex_;
    
33.     uint32_t count_ = 0;
    
34. };
    

复制代码

关于条件变量其实还涉及到通知丢失和虚假唤醒问题，因为不是本文的主题，这里暂不介绍，大家有需要可以留言。

std::future相关

c++11关于异步操作提供了future相关的类，主要有std::future、std::promise和std::packaged_task，std::future比std::thread高级些，std::future作为异步结果的传输通道，通过get()可以很方便的获取线程函数的返回值，std::promise用来包装一个值，将数据和future绑定起来，而std::packaged_task则用来包装一个调用对象，将函数和future绑定起来，方便异步调用。而std::future是不可以复制的，如果需要复制放到容器中可以使用std::shared_future。

std::promise与std::future配合使用

1. 
   
2. #include <functional>
   
3. #include <future>
   
4. #include <iostream>
   
5. #include <thread>
   
6. 
   
7. using namespace std;
   
8. 
   
9. void func(std::future<int>& fut) {
   
10.     int x = fut.get();
    
11.     cout << "value: " << x << endl;
    
12. }
    
13. 
    
14. int main() {
    
15.     std::promise<int> prom;
    
16.     std::future<int> fut = prom.get_future();
    
17.     std::thread t(func, std::ref(fut));
    
18.     prom.set_value(144);
    
19.     t.join();
    
20.     return 0;
    
21. }

复制代码

std::packaged_task与std::future配合使用

1. 
   
2. #include <functional>
   
3. #include <future>
   
4. #include <iostream>
   
5. #include <thread>
   
6. 
   
7. using namespace std;
   
8. 
   
9. int func(int in) {
   
10.     return in + 1;
    
11. }
    
12. 
    
13. int main() {
    
14.     std::packaged_task<int(int)> task(func);
    
15.     std::future<int> fut = task.get_future();
    
16.     std::thread(std::move(task), 5).detach();
    
17.     cout << "result " << fut.get() << endl;
    
18.     return 0;
    
19. }

复制代码

更多关于future的使用可以看我之前写的关于线程池和定时器的文章。

三者之间的关系

std::future用于访问异步操作的结果，而std::promise和std::packaged_task在future高一层，它们内部都有一个future，promise包装的是一个值，packaged_task包装的是一个函数，当需要获取线程中的某个值，可以使用std::promise，当需要获取线程函数返回值，可以使用std::packaged_task。

async相关

async是比future，packaged_task，promise更高级的东西，它是基于任务的异步操作，通过async可以直接创建异步的任务，返回的结果会保存在future中，不需要像packaged_task和promise那么麻烦，关于线程操作应该优先使用async，看一段使用代码：

1. 
   
2. #include <functional>
   
3. #include <future>
   
4. #include <iostream>
   
5. #include <thread>
   
6. 
   
7. using namespace std;
   
8. 
   
9. int func(int in) { return in + 1; }
   
10. 
    
11. int main() {
    
12.     auto res = std::async(func, 5);
    
13.     // res.wait();
    
14.     cout << res.get() << endl; // 阻塞直到函数返回
    
15.     return 0;
    
16. }

复制代码

使用async异步执行函数是不是方便多啦。

async具体语法如下：

1. 
   
2. async(std::launch::async | std::launch::deferred, func, args...);

复制代码

第一个参数是创建策略：

• std::launch::async表示任务执行在另一线程
• std::launch::deferred表示延迟执行任务，调用get或者wait时才会执行，不会创建线程，惰性执行在当前线程。
  
  

如果不明确指定创建策略，以上两个都不是async的默认策略，而是未定义，它是一个基于任务的程序设计，内部有一个调度器(线程池)，会根据实际情况决定采用哪种策略。

若从 std::async 获得的 std::future 未被移动或绑定到引用，则在完整表达式结尾， std::future的析构函数将阻塞直至异步计算完成，实际上相当于同步操作：

1. 
   
2. std::async(std::launch::async, []{ f(); }); // 临时量的析构函数等待 f()
   
3. std::async(std::launch::async, []{ g(); }); // f() 完成前不开始

复制代码

注意：关于async启动策略这里网上和各种书籍介绍的五花八门，这里会以cppreference为主。

• 有时候我们如果想真正执行异步操作可以对async进行封装，强制使用std::launch::async策略来调用async。

1. 
   
2. template <typename F, typename... Args>
   
3. inline auto ReallyAsync(F&& f, Args&&... params) {
   
4.     return std::async(std::launch::async, std::forward<F>(f), std::forward<Args>(params)...);
   
5. }

复制代码

总结


•std::thread使线程的创建变得非常简单，还可以获取线程id等信息。
•std::mutex通过多种方式保证了线程安全，互斥量可以独占，也可以重入，还可以设置互斥量的超时时间，避免一直阻塞等锁。
• std::lock通过RAII技术方便了加锁和解锁调用，有std::lock_guard和std::unique_lock。
• std::atomic提供了原子变量，更方便实现实现保护，不需要使用互斥量
• std::call_once保证函数在多线程环境下只调用一次，可用于实现单例。
• volatile常用于读写操作不可以被优化掉的内存中。
• std::condition_variable提供等待的同步机制，可阻塞一个或多个线程，等待其它线程通知后唤醒。
• std::future用于异步调用的包装和返回值。
• async更方便的实现了异步调用，异步调用优先使用async取代创建线程。

关于c++11关于并发的新特性就介绍到这里

纯粹为了C艹，顶下