C++并发与多线程---学习笔记(2)多线程创建、数据共享问题处理、死锁演示及解决详解

C++11并发与多线程

  • 一、创建多个线程、数据共享问题分析、案例代码
    • (1)创建和等待多线程
    • (2)数据共享问题分析
      • 1)只读数据
      • 2)有读有写
    • (3)共享数据读写案例崩溃案例演示,且抛出“互斥量”
  • 二、互斥量概念、用法、死锁演示及解决详解
    • (1)互斥量的基本概念
    • (2)互斥量用法
    • (3)死锁
    • (4)死锁解决方法


一、创建多个线程、数据共享问题分析、案例代码


(1)创建和等待多线程


创建10个线程,线程入口函数统一使用myprint,注意事项:

  • a)多个线程执行顺序是乱的,跟操作系统内部对线程的运行调度机制有关
  • b)主线程等待所有子线程运行结束后,最后主线程结束,推荐使用join()写法,更容易写出稳定的程序
  • c)把thread对象放入容器里管理,弄成thread对象数组,这对我们一次创建大量的线程并对大量线程管理更方便
/*子函数*/
void myprint(const int&i) {
	cout << "myprint线程开始编号:" << i << endl;
	//.....
	cout << "myprint线程结束编号:" << i << endl;
}
/*主函数*/
vector<thread>mythread;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
	mythread.push_back(thread(myprint,i));//匿名对象创建,创建10个线程且同时开始进行
}
for (auto&iter :mythread) {
	iter.join();
}
//for (auto iter = mythread.begin(); iter != mythread.end(); iter++) {
//	iter->join();
//}
//

(2)数据共享问题分析


1)只读数据


注意事项:只读数据是安全稳定的,不需要特别什么处理手段,直接读就可以

/*子函数*/
vector<int>number = {1,2,3};//数据共享
void dataprint(const int&i) {
	cout << "dataprint的id:" << this_thread::get_id() << "number数据:" 
	<< number[0] << number[1] << number[2] << endl;;
}
/*主函数*/
vector<thread>mythread;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
	mythread.push_back(thread(dataprint, i));
}
for (auto&iter : mythread) {
	iter.join();
}

2)有读有写


注意事项:

  • 假设有两个线程写,八个线程读,如果代码没有特别的处理,那程序肯定会崩溃的,因此最简单的处理方式是读的时候不写,写的时候不写,两个写的线程不能同时写,八个读的线程不能同时读。

(3)共享数据读写案例崩溃案例演示,且抛出“互斥量”


假设:
网络游戏服务器,两个自己创建的线程,一个线程手机玩家命令,另一个线程取出玩家送来的命令
(用成员函数作为线程函数方法写线程)

#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>
#include<vector>
#include<list>
using namespace std;
class Example {
public:
	void messageIn() {
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			cout << "服务器收集数据数量:" << i << endl;
			num.push_back(i);
		}
	}
	void messageOut() {
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			if (!num.empty()) {
				int comment = num.front();
				num.pop_front();
				cout << "服务器已发送的数据数量" << i << endl;
			}
			else {
				cout << "messageOut()执行,但目前消息队列中为空" << i << endl;
			}
		}
		cout << "end" << endl;
	}
private:
	list<int>num;
};
int main() {
	Example ex;
	thread out(&Example::messageOut,&ex);//第二个参数是 引用,保证线程里用的是同一个对象ex,(防止拷贝新的对象)
	thread in(&Example::messageIn,&ex);
	out.join();
	in.join();

	cout << "主线程运行" << endl;
	system("pause");
	return 0;
}
  • 该代码运行时会出现崩溃因两个线程有时会同时运行
  • 因此代码的正常运行就要两线程有序的进行,不能你争我抢,这时锁头(互斥量)就可以起到很好的作用!
  • 保护共享数据,操作时,某各个线程用代码把共享数据锁住、操作数据、解锁,其他想操作共享数据的线程必须等待解锁、锁定住、操作、解锁。

二、互斥量概念、用法、死锁演示及解决详解


(1)互斥量的基本概念


互斥量是个类对象 理解成一把锁,多个线程尝试用lock()成员函数来枷锁这把锁头,只有一个线程能锁定成功(成功的标志是能返回)。

注意事项:

  • 如果没锁成功,那么流程卡在lock()这里不断的尝试去锁这把锁头
  • 互斥量使用要小心,保护数据不多也不少,少了,没达到保护效果,多了,影响效率

(2)互斥量用法


  • lock()函数-----用锁
  • unlock()函数----解锁

注意事项:

  • 先lock(),操作共享数据,后unlock()
  • lock()和unlock()要成对使用,有lock必然要有unlock,要有对称性,缺一不可!
class Example {
public:
	void messageIn() {
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			myMutex.lock();
			cout << "服务器收集数据数量:" << i << endl;
			num.push_back(i);
			myMutex.unlock();
		}
	}
	void messageOut() {
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			if (!num.empty()) {
				myMutex.lock();
				int comment = num.front();
				num.pop_front();
				cout << "服务器已发送的数据数量" << i << endl;
				myMutex.unlock();
			}
			else {
				cout << "messageOut()执行,但目前消息队列中为空" << i << endl;
			}
		}
		cout << "end" << endl;
	}
private:
	list<int>num;
	mutex myMutex;
};

深入与提升:

  • 为了防止忘记unlock(),引入std::lock_guard的类模板,你忘记unlock,模板会自动unlock

     //相当 于智能指针一样(unique_ptr<>):您忘记释放内存,自动给你释放
    
  • std::lock_guard类模板:直接取代lock和unlock,用了类模板就不要用lock和unlock

class Example {
public:
	void messageIn() {
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			//myMutex.lock();
			std::lock_guard<mutex>guard(myMutex);
			cout << "服务器收集数据数量:" << i << endl;
			num.push_back(i);
		//	myMutex.unlock();
		}
	}
	void messageOut() {
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			if (!num.empty()) {
				//myMutex.lock();
				std::lock_guard<mutex>guard(myMutex);
				int comment = num.front();
				num.pop_front();
				cout << "服务器已发送的数据数量" << i << endl;
				//myMutex.unlock();
			}
			else {
				cout << "messageOut()执行,但目前消息队列中为空" << i << endl;
			}
		}
		cout << "end" << endl;
	}
private:
	list<int>num;
	mutex myMutex;
};
  • std::lock_guard类模板实际是在lock_guard构造函数执行了lock(),析构函数执行unlock()

(3)死锁


死锁是至少两个锁头(两个互斥量)才能产生
说明:

  1. 线程A执行的时候,这个线程先锁金锁,把金锁lock成功了,然后去lock 银锁,出现上下文切换,线程b执行的时候,这个线程先锁银锁,因为银锁还没有被锁,所以银锁会lock成功,接着线程b去锁金锁,此时就出现死锁
  2. 线程a因为拿不到银锁头,流程走不下去(所有后边代码有解锁金锁头的但是流程走不下去,所以金锁头解不开)
  3. 线程b因为拿不到金锁头,流程走不下去(所有后边代码有解锁银锁头的但是流程走不下去,所以银锁头解不开)
    代码示例:
class Example {
public:
	void messageIn() {
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			myMutex1.lock();
			myMutex2.lock();
			cout << "服务器收集数据数量:" << i << endl;
			num.push_back(i);
			myMutex2.unlock();
			myMutex1.unlock();
		}
	}
	void messageOut() {
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			if (!num.empty()) {
				myMutex2.lock();
				myMutex1.lock();
				int comment = num.front();
				num.pop_front();
				cout << "服务器已发送的数据数量" << i << endl;
				myMutex2.unlock();
				myMutex1.unlock();
			}
			else {
				cout << "messageOut()执行,但目前消息队列中为空" << i << endl;
			}
		}
		cout << "end" << endl;
	}
private:
	list<int>num;
	mutex myMutex1;
	mutex myMutex2;
};

(4)死锁解决方法


  1. 只要保证两个互斥量上锁的顺序一致就不会死锁
class Example {
public:
	void messageIn() {
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			myMutex1.lock();
			myMutex2.lock();
			cout << "服务器收集数据数量:" << i << endl;
			num.push_back(i);
			myMutex2.unlock();
			myMutex1.unlock();
		}
	}
	void messageOut() {
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			if (!num.empty()) {
				myMutex1.lock();
				myMutex2.lock();
				int comment = num.front();
				num.pop_front();
				cout << "服务器已发送的数据数量" << i << endl;
				myMutex2.unlock();
				myMutex1.unlock();
			}
			else {
				cout << "messageOut()执行,但目前消息队列中为空" << i << endl;
			}
		}
		cout << "end" << endl;
	}
private:
	list<int>num;
	mutex myMutex1;
	mutex myMutex2;
};

2.std::lock()函数模板:可用来处理多个互斥量

  • 一次锁住两个或者两个以上的互斥量(至少两个,多了不限,1个不行),不存在这种因为在多个线程中 锁的顺序问题导致死锁的问题
  • 如果互斥量中有一个没锁住,他就在哪里等着,等所有互斥量都锁住,他才能往下走(返回)
  • 要么两个互斥量都锁住,要么两个互斥量都没有锁住,如果之前锁了一个另外一个没锁成功则它立即把已经锁住的解锁
class Example {
public:
	void messageIn() {
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			cout << "messageIn(),服务器收集数据数量:" << i << endl;
			lock(myMutex1, myMutex2);
			num.push_back(i);
			myMutex2.unlock();
			myMutex1.unlock();
		}
		return;
	}
	bool outMessage() {
		lock(myMutex1, myMutex2);
		if (!num.empty()) {
			num.pop_front();
			myMutex2.unlock();
			myMutex1.unlock();
			return true;
		}
		myMutex2.unlock();
		myMutex1.unlock();
		return false;
	}
	void messageOut() {
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			bool result = outMessage();
			if (result==true) {
				cout << "messageOut()执行,服务器已发送的数据数量" << endl;
			}
			else {
				cout << "messageOut()执行,但目前消息队列中为空" << i << endl;
			}
		}
		cout << "end" << endl;
	}

private:
	list<int>num;
	mutex myMutex1;
	mutex myMutex2;
};

深入与提升:

  • std::lock_guard的adopt_lock参数

     	dopt_lock是个结构体对象,起一个标志作用:表示这个互斥量已经lock
     				不需要在std::lock_guard<mutex>构造函数里再对mutex对象进行lock
     				且std::lock_guard也会自动解锁
    

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