【cpp学习笔记】多线程编程
2024-06-20 11:54:34
1、前言
在学习利用多线程来实现多模型的目标检测时，接触到了 condition_variable、future等多线程编程知识，感觉自己对这方面的知识还不熟悉，于是便找了一些学习资料进行学习。
2、学习内容
2.1、生产者消费者模型
如果只考虑一个生产者和一个消费者线程，生产者线程不停的在队列q中添加值，消费者线程不停的在队列中去除值，此时可以采用条件变量来唤醒消费者线程，当消费者线程判断队列为空时，释放锁，并cv.wait()。而生产者线程增加一个值后，就会使用cv.notify_one()随机的唤醒一个线程，因为这里只有一个线程，cv.notify_one() 和 cv.notify_all() 的功能一致。但是如果有多个消费者线程，则会出现问题。
#include<stdio.h>
#include<thread>
#include<queue>
#include<mutex>
#include<string>
#include<chrono>
#include<iostream>
#include<condition_variable>
#include<future>using namespace std;condition_variable cv;mutex mtx;
deque<int>q;void task1(){int i=0;while(true){unique_lock<mutex> lock(mtx);q.emplace_back(i);cv.notify_one();// cv.notify_all();//每次生产出一个数据后，就去唤醒 cv_waitif(i<999999){i++;}else{i=0;}}
}void task2(){int data = 0;while(true){unique_lock<mutex>lock(mtx);//如果队列为空，就利用wait进入休眠状态,同时释放锁,被唤醒时加锁if(q.empty()){cv.wait(lock);}if(!q.empty()){data = q.front();q.pop_front();cout<<"Get value from que:"<<data<<endl;}}
}void task2(){int data = 0;while(true){unique_lock<mutex>lock(mtx);//如果队列为空，就利用wait进入休眠状态,同时释放锁,被唤醒时加锁if(q.empty()){cv.wait(lock);}if(!q.empty()){data = q.front();q.pop_front();cout<<"Get value from que:"<<data<<endl;}}
}// void task3(){
// int data = 0;
// while(true){
// unique_lock<mutex>lock(mtx);// //如果队列为空，就利用wait进入休眠状态,同时释放锁,被唤醒时加锁
// if(q.empty()){
// cv.wait(lock);
// }// if(!q.empty()){
// data = q.front();
// q.pop_front();
// cout<<"Get value from que:"<<data<<endl;
// }
// }
// }int main(){thread t1(task1);thread t2(task2);if(t1.joinable())t1.join();if(t2.joinable())t2.join();// if(t3.joinable())// t3.join();return 0;
}
2.2、功能优化
考虑以下场景，当有一个生产者线程和两个消费者线程时，队列中只有一个元素，消费者线程2处理wiat状态，消费者1取出q中的元素正常进行打印，然后进入到下一个循环中并拿到锁，此时生产者线程增加一个元素，并随机的唤醒了消费者线程2，但是此时消费者线程拿到了锁并取出值并打印，此时消费者线程再去队列中拿值时就会引发异常，此时只需要将 其中的if修改为while,while会多次检查队列是否为空
#include<stdio.h>
#include<thread>
#include<queue>
#include<mutex>
#include<string>
#include<chrono>
#include<iostream>
#include<condition_variable>
#include<future>using namespace std;condition_variable cv;mutex mtx;
deque<int>q;//生产者线程
void prod(){int i=0;while(true){unique_lock<mutex> lock(mtx);q.emplace_back(i);//随机唤醒某一个线程cv.notify_one();// 去唤醒所有线程// cv.notify_all();//每次生产出一个数据后，就去唤醒 cv_waitif(i<999999){i++;}else{i=0;}}
}//消费者线程1
void con1(){int data = 0;while(true){unique_lock<mutex>lock(mtx);//如果队列为空，就利用wait进入休眠状态,同时释放锁,被唤醒时加锁while(q.empty()){//可能有多个线程调用了这个cv_wait，所以会导致报错cv.wait(lock);//含义如下，//lock.unlock()//cv.wait()}data = q.front();q.pop_front();cout<<"Get value from que:"<<data<<endl;}
}//消费者线程2
//如果此时增加了一个消费者线程,将会出现问题//虚假唤醒问题 即队列为空，但是消费者线程却被唤醒了，去取队列里面的值，就报错了、
//发生错误的情形如下:
//在线程1中，此时队列q中有一个值，线程1正常pop，然后打印，接着进入到下一个循环，运行到 unique_lock<mutex>lock(mtx);时
//此时队列 元素+1,然后随机的唤醒了线程2,但此时线程1拥有队列的锁，于是线程1拿到了队列中的值，然后进行的pop，此时队列为空，
//此时线程2再去拿队列中的值，就会发生异常,只需要将 if 修改为whilevoid con2(){int data = 0;while(true){unique_lock<mutex>lock(mtx);//如果队列为空，就利用wait进入休眠状态,同时释放锁,被唤醒时加锁while(q.empty()){cv.wait(lock);}data = q.front();q.pop_front();cout<<"Get value from que:"<<data<<endl;}
}int main(){thread t1(prod);thread t2(con1);thread t3(con2);if(t1.joinable())t1.join();if(t2.joinable())t2.join();if(t3.joinable())t3.join();return 0;
}
2.3 future、promise
如果需要获得线程中的值，可以采用条件变量等待子线程结束，再打印想要的值
#include<stdio.h>
#include<thread>
#include<queue>
#include<mutex>
#include<string>
#include<chrono>
#include<iostream>
#include<condition_variable>
#include<future>using namespace std;mutex mtx;
condition_variable cv;void task(int a,int b, promise<int>& ret){int ret_a = a * a;int ret_b = b * 2;ret = ret_a + ret_b;cv.notify_one();
}//这个版本导致代码太多,使用future可以优雅的解决int main(){int ret = 0;//如果需要传递引用，则需要加ref//将p传递进去thread t(task,1,2,ref(ret));unique_lock<mutex>lock(mtx);//等待线程通知，然后往下执行cv.wait(lock);cout<< "return value is" << ret<<endl;if(t.joinable())t.join();}
上述这种方式可以使用future更为优雅的解决
#include<stdio.h>
#include<thread>
#include<queue>
#include<mutex>
#include<string>
#include<chrono>
#include<iostream>
#include<condition_variable>
#include<future>using namespace std;void task(int a,int b, promise<int>& ret){int ret_a = a * a;int ret_b = b * 2;ret.set_value(ret_a+ret_b);}//这个版本导致代码太多,使用future可以优雅的解决int main(){int ret = 0;promise<int>p;future<int>f = p.get_future(); //将f与p关联起来thread t(task,1,2,ref(p));//f.get()会阻塞在这里等待 p给f传递值，且f.get()只能用一次cout <<"return ret is :" << f.get() <<endl;if(t.joinable())t.join();}
如果使用多个子线程，但其中 f.get()只能只用一次，此时可以使用 share_future
#include<stdio.h>
#include<thread>
#include<queue>
#include<mutex>
#include<string>
#include<chrono>
#include<iostream>
#include<condition_variable>
#include<future>using namespace std;void task(int a, future<int>&b, promise<int>& ret){int ret_a = a * a;//等待主线程的p_in 设置号值之后再继续int ret_b = b.get()* 2;ret.set_value(ret_a+ret_b);}//有时候 在给线程传值是,可能不需要立马传递值,可能需要过一段时间传递值int main(){int ret = 0;promise<int>p_ret;future<int>f_ret = p_ret.get_future();//延时传值promise<int>p_in;future<int>f_in = p_in.get_future();thread t(task,1,ref(f_in),ref(p_ret));//dop_in.set_value(8);//cout <<"return ret is :" << f_ret.get() <<endl;if(t.joinable())t.join();}
2.4、功能优化
上诉方法可以通过系统函数写的更为简洁
#include<stdio.h>
#include<thread>
#include<queue>
#include<mutex>
#include<string>
#include<chrono>
#include<iostream>
#include<condition_variable>
#include<future>using namespace std;int task(int a,int b){int ret_a = a * a;//等待主线程的p_in 设置号值之后再继续int ret_b = b * 2;return ret_a+ret_b;
}//为了简化上述方法，可以使用asyncint main(){//使用async可以在线程中获得返回值//async不一定创建新的线程做计算，如果使用launch::async则会开启新的线程//launch::deferred 为延迟调用,当有fu.get()时，才会开启线程future<int> fu = async(launch::async,task,1,2);cout <<"return ret is :" << fu.get() <<endl;}
3、总结
本次多多线程学习主要学习了条件变量、futrue、pormise的使用方法，希望在工作中处理多线程时，能够更优雅的解决问题。
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