当前位置：首页 > news >正文

C++11新特性（4）

news 2025/5/19 13:02:26

目录

1.包装器

2.线程库

2.1thread类的简单介绍

2.2线程函数参数

2.3原子性操作库(atomic)

2.4lock_guard与unique_lock

2.5mutex的种类

1. std::mutex

2. std::recursive_mutex

3. std::timed_mutex

4. std::recursive_timed_mutex

2.6lock_guard

2.7unique_lock

3.支持两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数

1.包装器

function包装器

function包装器也叫作适配器。C++中的function本质是一个类模板，也是一个包装器。那么我们来看看，我们为什么需要function呢？
//ret = func(x);
// 上面func可能是什么呢？那么func可能是函数名？函数指针？函数对象(仿函数对象)？也有可能
//是lamber表达式对象？所以这些都是可调用的类型！如此丰富的类型，可能会导致模板的效率低下！
//为什么呢？我们继续往下看template<class F, class T>
T useF(F f, T x)
{static int count = 0;cout << "count:" << ++count << endl;cout << "count:" << &count << endl;return f(x);
}
double f(double i)
{return i / 2;
}
struct Functor
{double operator()(double d){return d / 3;}
};
int main()
{// 函数名cout << useF(f, 11.11) << endl;// 函数对象cout << useF(Functor(), 11.11) << endl;// lamber表达式cout << useF([](double d)->double { return d / 4; }, 11.11) << endl;return 0;
}
通过上面的程序验证，我们会发现useF函数模板实例化了三份。

包装器可以很好的解决上面的问题
std::function在头文件<functional>
// 类模板原型如下
template <class T> function;     // undefined
template <class Ret, class... Args>
class function<Ret(Args...)>;
模板参数说明：
Ret : 被调用函数的返回类型
Args…：被调用函数的形参// 使用方法如下：
int f(int a, int b)
{return a + b;
}
struct Functor
{
public:int operator() (int a, int b){return a + b;}
};
class Plus
{
public:static int plusi(int a, int b){return a + b;}double plusd(double a, double b){return a + b;}
};
int main()
{// 函数名(函数指针)function<int(int, int)> func1 = f;cout << func1(1, 2) << endl;// 函数对象std::function<int(int, int)> func2 = Functor();cout << func2(1, 2) << endl;// lamber表达式std::function<int(int, int)> func3 = [](const int a, const int b){return a + b; };cout << func3(1, 2) << endl;// 类的成员函数std::function<int(int, int)> func4 = &Plus::plusi;cout << func4(1, 2) << endl;std::function<double(Plus, double, double)> func5 = &Plus::plusd;cout << func5(Plus(), 1.1, 2.2) << endl;return 0;
}
有了包装器，如何解决模板的效率低下，实例化多份的问题呢？
template<class F, class T>
T useF(F f, T x)
{static int count = 0;cout << "count:" << ++count << endl;cout << "count:" << &count << endl;return f(x);
}
double f(double i)
{return i / 2;
}
struct Functor
{double operator()(double d){return d / 3;}
};
int main()
{// 函数名std::function<double(double)> func1 = f;cout << useF(func1, 11.11) << endl;// 函数对象std::function<double(double)> func2 = Functor();cout << useF(func2, 11.11) << endl;// lamber表达式std::function<double(double)> func3 = [](double d)->double { return d /4; };cout << useF(func3, 11.11) << endl;return 0;
}
上述代码我们会发现我们是通过usef函数来进行统筹的。

包装器的其他一些场景：

. - 力扣（LeetCode）
class Solution {
public:int evalRPN(vector<string>& tokens) {stack<int> st;for (auto& str : tokens){if (str == "+" || str == "-" || str == "*" || str == "/"){int right = st.top();st.pop();int left = st.top();st.pop();switch (str[0]){case '+':st.push(left + right);break;case '-':st.push(left - right);break;case '*':st.push(left * right);break;case '/':st.push(left / right);break;}}else{// 1、atoi itoa// 2、sprintf scanf// 3、stoi to_string C++11st.push(stoi(str));}}return st.top();}
};
// 使用包装器以后的玩法
class Solution {
public:int evalRPN(vector<string>& tokens) {stack<int> st;map<string, function<int(int, int)>> opFuncMap ={{ "+", [](int i, int j) {return i + j; } },{ "-", [](int i, int j) {return i - j; } },{ "*", [](int i, int j) {return i * j; } },{ "/", [](int i, int j) {return i / j; } }};for (auto& str : tokens){if (opFuncMap.find(str) != opFuncMap.end()){int right = st.top();st.pop();int left = st.top();st.pop();st.push(opFuncMap[str](left, right));}else{// 1、atoi itoa// 2、sprintf scanf// 3、stoi to_string C++11st.push(stoi(str));}}return st.top();}
};
bind

std::bind函数定义在头文件中，是一个函数模板，它就像一个函数包装器(适配器)，接受一个可调用对象（callable object），生成一个新的可调用对象来“适应”原对象的参数列表。一般而言，我们用它可以把一个原本接收N个参数的函数fn，通过绑定一些参数，返回一个接收M个（M 可以大于N，但这么做没什么意义）参数的新函数。同时，使用std::bind函数还可以实现参数顺序调整等操作。
// 原型如下：
template <class Fn, class... Args>
/* unspecified */bind(Fn&& fn, Args&&... args);// with return type (2) 
template <class Ret, class Fn, class... Args>
/* unspecified */ bind(Fn&& fn, Args&&... args);
可以将bind函数看作是一个通用的函数适配器，它接受一个可调用对象，生成一个新的可调用对象来“适应”原对象的参数列表。调用bind的一般形式：auto newCallable = bind(callable,arg_list); 其中，newCallable本身是一个可调用对象，arg_list是一个逗号分隔的参数列表，对应给定的 callable的参数。当我们调用newCallable时，newCallable会调用callable,并传给它arg_list中的参数。 arg_list中的参数可能包含形如_n的名字，其中n是一个整数，这些参数是“占位符”，表示 newCallable的参数，它们占据了传递给newCallable的参数的“位置”。数值n表示生成的可调用对象中参数的位置：_1为newCallable的第一个参数，_2为第二个参数，以此类推。
// 使用举例
int Plus(int a, int b)
{return a + b;
}
class Sub
{
public:int sub(int a, int b){return a - b;}
};
int main()
{//表示绑定函数plus 参数分别由调用 func1 的第一，二个参数指定function<int(int, int)> func1 = bind(Plus, placeholders::_1, placeholders::_2);//auto func1 = std::bind(Plus, placeholders::_1, placeholders::_2);//func2的类型为 function<int(int, int)> 与func1类型一样//表示绑定函数 plus 的第一，二为： 1， 2auto func2 = bind(Plus, placeholders::_1, placeholders::_2);cout << func1(1, 2) << endl;cout << func2(1, 2) << endl;Sub s;// 绑定成员函数function<int(int, int)> func3 = bind(&Sub::sub, s, placeholders::_1, placeholders::_2);// 参数调换顺序std::function<int(int, int)> func4 = std::bind(&Sub::sub, s,placeholders::_2, placeholders::_1);cout << func3(1, 2) << endl;cout << func4(1, 2) << endl;return 0;
}
2.线程库

2.1thread类的简单介绍

在C++11之前，涉及到多线程问题，都是和平台相关的，比如windows和linux下各有自己的接口，这使得代码的可移植性比较差。C++11中最重要的特性就是对线程进行支持了，使得C++在并行编程时不需要依赖第三方库，而且在原子操作中还引入了原子类的概念。要使用标准库中的线程，必须包含< thread >头文件。（C++11中线程类）

http://www.cplusplus.com/reference/thread/thread/?kw=thread

注意：

1. 线程是操作系统中的一个概念，线程对象可以关联一个线程，用来控制线程以及获取线程的状态。

2. 当创建一个线程对象后，没有提供线程函数，该对象实际没有对应任何线程。
#include<thread>
int main()
{thread t1;cout << t1.get_id() << endl;
}
get_id()的返回值类型为id类型，id类型实际为std::thread命名空间下封装的一个类，该类中包含了一个结构体：
// vs下查看
typedef struct
{ /* thread identifier for Win32 */void* _Hnd; /* Win32 HANDLE */unsigned int _Id;
} _Thrd_imp_t;
3. 当创建一个线程对象后，并且给线程关联线程函数，该线程就被启动，与主线程一起运行。线程函数一般情况下可按照以下三种方式提供：

函数指针

lambda表达式

函数对象
void ThreadFunc(int a)
{cout << "Thread1" << a << endl;
}
class TF
{
public:void operator()(){cout << "Thread3" << endl;}
};
int main()
{// 线程函数为函数指针thread t1(ThreadFunc, 1);// 线程函数为lambda表达式thread t2([]{cout << "Thread2" << endl; });// 线程函数为函数对象TF tf;thread t3(tf);t1.join();t2.join();t3.join();cout << "Main thread!" << endl;return 0;
}
4. thread类是防拷贝的，不允许拷贝构造以及赋值，但是可以移动构造和移动赋值，即将一个线程对象关联线程的状态转移给其他线程对象，转移期间不影响线程的执行。

5. 可以通过jionable()函数判断线程是否是有效的，如果是以下任意情况，则线程无效

采用无参构造函数构造的线程对象

线程对象的状态已经转移给其他线程对象

线程已经调用jion或者detach结束

面试题：并发与并行的区别？

并发：并发是指在同一个时间段内，两个或多个事件（或任务、程序）都在执行，但这些事件在微观上并不是同时发生的，而是有时间上的重叠。也就是说，在并发情况下，虽然多个事件都在处理中，但在同一时刻点上，通常只有一个事件在处理机上运行。并发侧重于在同一个实体（如处理器）上处理多个任务。
并行：并行则是指两个或多个事件在同一时刻点上都在执行。在并行情况下，每个事件都被分配给一个独立的处理器（或处理单元），这些处理器同时处理这些事件。因此，并行是在不同实体（如多个处理器）上同时处理多个任务。

2.2线程函数参数

线程函数的参数是以值拷贝的方式拷贝到线程栈空间中的，因此：即使线程参数为引用类型，在线程中修改后也不能修改外部实参，因为其实际引用的是线程栈中的拷贝，而不是外部实参。
void ThreadFunc1(int& x)
{x += 10;
}
void ThreadFunc2(int* x)
{*x += 10;
}
int main()
{int a = 10;// 在线程函数中对a修改，不会影响外部实参，因为：线程函数参数虽然是引用方式，但其实际引用的是线程栈中的拷贝thread t1(ThreadFunc1, a);t1.join();cout << a << endl;// 如果想要通过形参改变外部实参时，必须借助std::ref()函数thread t2(ThreadFunc1, ref(a));t2.join();cout << a << endl;// 地址的拷贝thread t3(ThreadFunc2, &a);t3.join();cout << a << endl;return 0;
}
注意：如果是类成员函数作为线程参数时，必须将this作为线程函数参数。

2.3原子性操作库(atomic)

多线程最主要的问题是共享数据带来的问题(即线程安全)。如果共享数据都是只读的，那么没问题，因为只读操作不会影响到数据，更不会涉及对数据的修改，所以所有线程都会获得同样的数据。但是，当一个或多个线程要修改共享数据时，就会产生很多潜在的麻烦。比如：
unsigned long sum = 0L;void fun(size_t num)
{for (size_t i = 0; i < num; ++i)sum++;
}int main()
{cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;thread t1(fun, 10000000);thread t2(fun, 10000000);t1.join();t2.join();cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;return 0;}
运行截图：

我们会发现不管我们运行多少次，答案几乎都是不正确的答案，这就是多线程并发导致的线程安全问题。

C++98中传统的解决方式：可以对共享修改的数据进行加锁保护。
#include<mutex>mutex m;
unsigned long sum = 0L;
void fun(size_t num)
{for (size_t i = 0; i < num; ++i){m.lock();sum++;m.unlock();}
}
int main()
{cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;thread t1(fun, 10000000);thread t2(fun, 10000000);t1.join();t2.join();cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;return 0;
}
运行截图：

虽然加锁可以解决，但是加锁有一个缺陷就是：只要一个线程在对sum++时，其他线程就会被阻塞，会影响程序运行的效率，而且锁如果控制不好，还容易造成死锁。

因此C++11中引入了原子操作。所谓原子操作：即不可被中断的一个或一系列操作，C++11引入的原子操作类型，使得线程间数据的同步变得非常高效。

注意：需要使用以上原子操作变量时，必须添加头文件
#include<atomic>atomic_long sum{0};
void fun(size_t num)
{for (size_t i = 0; i < num; ++i)sum++;   // 原子操作
}
int main()
{cout << "Before joining, sum = " << sum << std::endl;thread t1(fun, 1000000);thread t2(fun, 1000000);t1.join();t2.join();cout << "After joining, sum = " << sum << std::endl;return 0;
}
运行截图：

在C++11中，程序员不需要对原子类型变量进行加锁解锁操作，线程能够对原子类型变量互斥的访问。

更为普遍的，程序员可以使用atomic类模板，定义出需要的任意原子类型。
template <class T>
atomic<T> t;  // 声明一个类型为T的原子类型变量t
注意：原子类型通常属于"资源型"数据，多个线程只能访问单个原子类型的拷贝，因此在C++11 中，原子类型只能从其模板参数中进行构造，不允许原子类型进行拷贝构造、移动构造以及 operator=等，为了防止意外，标准库已经将atmoic模板类中的拷贝构造、移动构造、赋值运算符重载默认删除掉了。
int main()
{atomic<int> a1(0);//atomic<int> a2(a1);   // 编译失败atomic<int> a2(0);//a2 = a1;               // 编译失败return 0;
}
2.4lock_guard与unique_lock

在多线程环境下，如果想要保证某个变量的安全性，只要将其设置成对应的原子类型即可，即高效又不容易出现死锁问题。但是有些情况下，我们可能需要保证一段代码的安全性，那么就只能通过锁的方式来进行控制。

比如：一个线程对变量number进行加100次，另外一个减100次，每次操作加一或者减一之后，输出number的结果，要求：number最后的值为1。
int number = 1;
mutex g_lock;
int ThreadProc1()
{for (int i = 0; i < 100; i++){g_lock.lock();++number;cout << "thread 1 :" << number << endl;g_lock.unlock();}return 0;
}int ThreadProc2()
{for (int i = 0; i < 100; i++){g_lock.lock();--number;cout << "thread 2 :" << number << endl;g_lock.unlock();}return 0;
}int main()
{thread t1(ThreadProc1);thread t2(ThreadProc2);t1.join();t2.join();cout << "number:" << number << endl;system("pause");return 0;
}
运行截图：

上述代码的缺陷：锁控制不好时，可能会造成死锁，最常见的比如在锁中间代码返回，或者在锁的范围内抛异常。因此：C++11采用RAII的方式对锁进行了封装，即lock_guard和unique_lock。

2.5mutex的种类

在C++11中，Mutex总共包了四个互斥量的种类：

1. std::mutex

C++11提供的最基本的互斥量，该类的对象之间不能拷贝，也不能进行移动。mutex最常用的三个函数：

注意，线程函数调用lock()时，可能会发生以下三种情况：

1.如果该互斥量当前没有被锁住，则调用线程将该互斥量锁住，直到调用unlock之前，该线程一直拥有该锁；

2.如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前的调用线程被阻塞住；

3.如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。

线程函数调用try_lock()时，可能会发生以下三种情况：

1.如果当前互斥量没有被其他线程占有，则该线程锁住互斥量，直到该线程调用unlock释放互斥量；

2.如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前调用线程返回false，而并不会被阻塞掉；

3.如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。

2. std::recursive_mutex

其允许同一个线程对互斥量多次上锁（即递归上锁），来获得对互斥量对象的多层所有权，释放互斥量时需要调用与该锁层次深度相同次数的unlock()，除此之外， std::recursive_mutex 的特性和 std::mutex 大致相同。

3. std::timed_mutex

比 std::mutex 多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until() 。

try_lock_for()

接受一个时间范围，表示在这一段时间范围之内线程如果没有获得锁则被阻塞住（与 std::mutex 的 try_lock() 不同，try_lock 如果被调用时没有获得锁则直接返回 false），如果在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，如果超时（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。

try_lock_until()

接受一个时间点作为参数，在指定时间点未到来之前线程如果没有获得锁则被阻塞住，如果在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，如果超时（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。

4. std::recursive_timed_mutex

2.6lock_guard

std::lock_gurad 是 C++11 中定义的模板类。定义如下：
template<class _Mutex>
class lock_guard
{
public:// 在构造lock_gard时，_Mtx还没有被上锁explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx): _MyMutex(_Mtx){_MyMutex.lock();}// 在构造lock_gard时，_Mtx已经被上锁，此处不需要再上锁lock_guard(_Mutex& _Mtx, adopt_lock_t): _MyMutex(_Mtx){}~lock_guard() _NOEXCEPT{_MyMutex.unlock();}lock_guard(const lock_guard&) = delete;lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:_Mutex& _MyMutex;
};
通过上述代码可以看到，lock_guard类模板主要是通过RAII的方式，对其管理的互斥量进行了封装，在需要加锁的地方，只需要用上述介绍的任意互斥体实例化一个lock_guard，调用构造函数成功上锁，出作用域前，lock_guard对象要被销毁，调用析构函数自动解锁，可以有效避免死锁问题。

lock_guard的缺陷：太单一，用户没有办法对该锁进行控制，因此C++11又提供了 unique_lock。

2.7unique_lock

与lock_gard类似，unique_lock类模板也是采用RAII的方式对锁进行了封装，并且也是以独占所有权的方式管理mutex对象的上锁和解锁操作，即其对象之间不能发生拷贝。在构造(或移动 (move)赋值)时，unique_lock 对象需要传递一个 Mutex 对象作为它的参数，新创建的 unique_lock 对象负责传入的 Mutex 对象的上锁和解锁操作。使用以上类型互斥量实例化 unique_lock的对象时，自动调用构造函数上锁，unique_lock对象销毁时自动调用析构函数解锁，可以很方便的防止死锁问题。

与lock_guard不同的是，unique_lock更加的灵活，提供了更多的成员函数：

上锁/解锁操作：lock、try_lock、try_lock_for、try_lock_until和unlock；

修改操作：移动赋值、交换(swap：与另一个unique_lock对象互换所管理的互斥量所有权)、释放(release：返回它所管理的互斥量对象的指针，并释放所有权)；

获取属性：owns_lock(返回当前对象是否上了锁)、operator bool()(与owns_lock()的功能相同)、mutex(返回当前unique_lock所管理的互斥量的指针)。

c++ 11： lock_guard/unique_lock详解_c++ lockguard-CSDN博客

3.支持两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数

本例主要演示了condition_variable（条件变量）的使用，condition_variable他们用来进行线程之间的互相通知。condition_variable和Linux posix的条件变量并没有什么大的区别，主要还是面向对象实现的。条件变量的文档如下：https://cplusplus.com/reference/condition_variable/
#include <condition_variable>void two_thread_print()
{mutex mtx;condition_variable c;int n = 100;bool flag = true;thread t1([&] {int i = 0;while (i < n){unique_lock<mutex> lock(mtx);c.wait(lock, [&]()->bool {return flag; });cout << i << endl;flag = false;i += 2;//偶数c.notify_one();}});thread t2([&] {int j = 1;while (j < n){unique_lock<mutex> lock(mtx);c.wait(lock, [&]()->bool {return !flag; });cout << j << endl;j += 2; // 奇数flag = true;c.notify_one();}});t1.join();t2.join();}int main()
{two_thread_print();return 0;
}