一步一步写线程之二线程应用管理

一、多线程使用

多线程在实际的应用中非常广泛，它在实际应用中遇到的主要的问题有以下几类：
1、线程自身的控制
线程自身的控制包括：线程结束控制（join/detach），所有权控制和数量选择。
2、线程的传参
线程的传参一般是指线程初始启动时得到数据参数，这个某些情况下很容易被忽略。
3、线程的同步
这是线程的复杂之处，同步一般指多线程间要交互数据，即使某些任务同步，其实最终也要落实到数据的同步。
为了统一、方便分析使用，本系列一般使用标准库的线程。

二、线程的管理

既然知道了线程的应用的场景就可以从这其中进行分析：
1、线程的ID获得
主线程可以使用： auto id = std::this_thread::get_id();
子线程可以使用：auto id = th.get_id();//th是创建线程时的句柄
2、当前CPU支持的核心数量获取
获得当前最佳线程数量：auto count = std::thread::hardware_concurrency();
这个需要说明的是，在实际应用中要区分是CPU密集性应用还是IO密集性应用等情况，这个数量才有参考意义。
3、线程的分离
这个非常简单：

int data = 0;
std::thread th = std::thread([&](int d) {
    std::cout << "this data is:" << d << std::endl;
    },std::ref(data));
auto id = th.get_id();
th.detach();

需要说明的是，线程的分离的使用，意味着线程需要自己控制状态，否则会出现各种意想不到的结果。

4、线程的加入等待
看使用即可明白：

int data = 0;
std::thread th = std::thread([&](int d) {
    std::cout << "this data is:" << d << std::endl;
    },std::ref(data));

if (th.joinable()) {
    th.join();
}

使用join的优势在于，只要子线程不退出，主线程不会退出。这意味什么？一是线程被阻塞，二是一旦有编码问题，整个程序无法正常结束。
5、线程的控制
有的时候需要创建多个线程，而这多个线程可能需要进行集中管理，那么可以使用智能指针进行控制：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <memory>
#include <vector>

using THREADPTR = std::unique_ptr<std::thread>;

class ThreadManager {
public:
    ThreadManager() {};
    ~ThreadManager() { this->Join(); };
    ThreadManager(const ThreadManager&) = delete;
    ThreadManager(const ThreadManager &&) = delete;
    ThreadManager& operator=(const ThreadManager&) = delete;
    ThreadManager& operator=(const ThreadManager&&) = delete;

    int PutThread(THREADPTR tptr) { this->vecThread_.emplace_back(std::move(tptr)); return this->vecThread_.size(); }
private:
    void Join()
    {
        for (auto& th : this->vecThread_)
        {
            if (th->joinable())
            {
                th->join();
            }
        }
    };
private:
    std::vector<THREADPTR> vecThread_;
};
void ThreadManagerTest() {
    ThreadManager tm;

    std::unique_ptr<std::thread> p1 = std::make_unique<std::thread>([&]() {std::cout << "run thread 1!" << std::endl; });
    std::unique_ptr<std::thread> p2 = std::make_unique<std::thread>([&]() {std::cout << "run thread 2!" << std::endl;; });

    tm.PutThread(std::move(p1));
    tm.PutThread(std::move(p2));
}
int main()
{
    ThreadManagerTest();
    return 0;
}

三、线程的传参

在线程中传参有两种情况：
1、直接传递
A、通过参数传递(值传递)

int data = 0;
std::thread th = std::thread([&](int d) {
    std::cout << "this data is:" << d << std::endl;
  },data);

B、std::ref()传递（引用传递）

int data = 0;
std::thread th = std::thread([&](int d) {
    std::cout << "this data is:" << d << std::endl;
    },std::ref(data));

引用传递一定要使用std::ref，否则编译无法通过。

2、隐式传递
即使用Lambada表达式的[]的各种应用方式，前面分析过，这里不再讲解，看一下例程就明白了：

int data = 0;
std::thread th = std::thread([&]() {
    std::cout << "this data is:" << data << std::endl;
    });

对一般的开发人员来说，引用传参是比较容易被忽略的，要引起注意。

四、线程的同步

线程的同步这里不做过多的分析，下面会开专门的章节进行分析。其实同步的主要目的还是数据的原因，如果单纯的同步，其实应用场景还是比较少的。那么在多线程之间传递数据或者说共享数据，可以使用几种方式来实现：
1、各种同步机制
如std::mutex,std::condition_variable等，在c++更高版本（11，14，17，20）中还提供了shared_timed_mutex和shared_mutex等。同时还提供了对这些锁的管理类如std::lock_guard等，看一个小例子：

#include <thread>
#include <mutex>
#include <iostream>

int g_i = 0;
std::mutex g_i_mutex;  // protects g_i

void safe_increment()
{
    std::lock_guard<std::mutex> lock(g_i_mutex);
    ++g_i;

    std::cout << std::this_thread::get_id() << ": " << g_i << '\n';

    // g_i_mutex is automatically released when lock
    // goes out of scope
}

int main()
{
    std::cout << __func__ << ": " << g_i << '\n';

    std::thread t1(safe_increment);
    std::thread t2(safe_increment);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << __func__ << ": " << g_i << '\n';
}

2、原子锁
这个还是比较容易理解的：

#include <atomic>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>

std::atomic_int acnt;
int cnt;

void f()
{
    for (int n = 0; n < 10000; ++n)
    {
        ++acnt;
        ++cnt;
        // Note: for this example, relaxed memory order
        // is sufficient, e.g. acnt.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
    }
}

int main()
{
    {
        std::vector<std::jthread> pool;
        for (int n = 0; n < 10; ++n)
            pool.emplace_back(f);
    }

    std::cout << "The atomic counter is " << acnt << '\n'
              << "The non-atomic counter is " << cnt << '\n';
}

此处的代码使用了C++20中的std::jthread,如果非要简单的来说明这个类，可以理解为封装了std::thread,但在析构时自动调用join函数。不过它还是增加了其它的不少的函数，比如在某些条件下可以对线程进行控制，它的使用相对于std::thread要安全不少。

3、CAS无锁
在c++编程中，无锁编程一般应用在需要并发的数据结构处理中，比如常见的链表、栈等，看下面例子：

#include <atomic>

template<typename T>
struct node
{
    T data;
    node* next;
    node(const T& data) : data(data), next(nullptr) {}
};

template<typename T>
class stack
{
    std::atomic<node<T>*> head;
public:
    void push(const T& data)
    {
        node<T>* new_node = new node<T>(data);

        // 将 head 的当前值放到 new_node->next 中
        new_node->next = head.load(std::memory_order_relaxed);

        // 现在令 new_node 为新的 head ，但如果 head 不再是
        // 存储于 new_node->next 的值（某些其他线程必须在刚才插入结点）
        // 那么将新的 head 放到 new_node->next 中并再尝试
        while(!head.compare_exchange_weak(new_node->next, new_node,
                                          std::memory_order_release,
                                          std::memory_order_relaxed))
            ; // 循环体为空

// 注意：上述使用至少在这些版本不是线程安全的
// 先于 4.8.3 的 GCC（漏洞 60272），先于 2014-05-05 的 clang（漏洞 18899）
// 先于 2014-03-17 的 MSVC（漏洞 819819）。下面是变通方法：
//      node<T>* old_head = head.load(std::memory_order_relaxed);
//      do
//      {
//          new_node->next = old_head;
//      }
//      while (!head.compare_exchange_weak(old_head, new_node,
//                                         std::memory_order_release,
//                                         std::memory_order_relaxed));
    }
};

int main()
{
    stack<int> s;
    s.push(1);
    s.push(2);
    s.push(3);
}

无锁编程并非无锁，只是把锁下移到了硬件控制中，它的优势在于线程不睡眠，有速度优势；缺点是也是不睡眠，浪费CPU。另外CAS无锁编程还有一个ABA现象，一定要引起注意。所以其应用场景也比较明显，需要数据吞吐量大，最典型的就是股票行情应用上。如果数据单一读或写数据量大，或者都不多大，使用CAS并没有优势，可能还会有劣势。所以还是那句话，没有最好，只有最合适。

4、特殊情况下的数据保护
如在一些单实例之类的单次应用中，可以使用std::call_once配合 std::one_flag一起来使用。同时，也可以使用局部静态变量等方式来实现数据在多线程的一次性实现。这类应用在网上和书上资料非常多，此处就不举例了。

五、总结

本系列重点是如何写多线程的应用，具体到一些细节的应用，大家需要自己回头多看看相关资料或者书籍资料。如果有一些特别需要说明的，可能会在后面插入一些说明的篇章，但也不会安排在这个应用系列中。也就是说，这里更侧重是对基础知识的应用，在应用前，要把应用的基础点都说明一下。