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c++ 常用总结（二）
简介c++ 常用总结（二）
1.
① 可变参数... 、__VA_ARGS__与##__VA_ARGS__
结论：##__VA_ARGS__中##的作用就是去掉前面多余的,号 ，在使用自定义打印的时候，推荐##__VA_ARGS__而不是__VA_ARGS__
C语言##__VA_ARGS__的用法_fengwang0301的博客-CSDN博客
例1 __VA_ARGS__
报错如下：
#include <stdio.h>
#include <iostream>
// ...表示可变参数，__VA_ARGS__就是将...的值复制到这里
#define LOG(...) printf(__VA_ARGS__)
int main(){
std::string str = "BBBBBBBBBB";
int num = 10086;
LOG("AAAAAAAAAAAA
");
LOG(str); // 错误
return 0;
}原因是printf（）的传参只能是char*类型，我这里给的string类型无法默认转换
修改如下：
#include <stdio.h>
#include <iostream>
// ...表示可变参数，__VA_ARGS__就是将...的值复制到这里
#define LOG(...) printf(__VA_ARGS__)
int main(){
std::string str = "BBBBBBBBBB";
int num = 10086;
LOG("AAAAAAAAAAAA
");
LOG(str.c_str());
return 0;
}
又如：
#include <stdio.h>
#include <iostream>
// ...表示可变参数，__VA_ARGS__就是将...的值复制到这里
#define LOG(...) printf(__VA_ARGS__)
int main(){
std::string str = "BBBBBBBBBB";
int num = 10086;
LOG("AAAAAAAAAAAA
");
LOG("this is test: %s, %d", str.c_str(), num);
return 0;
}
例2 ##__VA_ARGS__
#include <stdio.h>
#include <iostream>
// <%s:%s> 对应 __FILE__, __FUNCTION__ ， format 对应 ##__VA_ARGS__
#define LOG(format, ...) printf("<%s:%s>:" format, __FILE__, __FUNCTION__, ##__VA_ARGS__)
int main(){
std::string str = "BBBBBBBBBB";
int num = 10086;
LOG("AAAAAAAAAAAA
");
LOG("this is test: %s, %d
", str.c_str(), num);
LOG();
return 0;
}
② 智能指针std::shared_ptr
reset()就是把shared_ptr赋空，reset(new Tmp(10))就是把shared_ptr 指向new Tmp(10)。
#include <iostream>
int main(){
int* a;
std::cout << "new int(5)-------:
";
a = new int(5); // 元素
std::cout << *a << "
";
std::cout << "new int[5]-------:
";
a = new int[5]; // 数组（初始未赋值）
std::cout << *a << " ";
std::cout << *(a+1) << "
";
a[0] = 2; // 赋值
a[1] = 4;
std::cout << *a << " ";
std::cout << *(a+1) << "
";
// a = new int()[5]; // 错，int是类型而不是类
std::cout << "new int[5]()-------:
";
a = new int[5](); // 数组（初始未赋值，括号里默认所有元素为0）
std::cout << *a << " ";
std::cout << *(a+1) << "
";
// a = new int[5](2, 4, 6, 8, 10); // error: array 'new' cannot have initialization arguments
a[0] = 2; // 赋值
a[1] = 4;
std::cout << *a << " ";
std::cout << *(a+1) << "
";
std::cout << "std::string b------:
";
std::string b;
// b = new std::string(); // error: no viable overloaded '='
// b("aaaa"); // error: type 'std::string' (aka 'basic_string<char>') does not provide a call operator
b = "bbbbbb";
std::cout << b << "
";
std::cout << "std::string c-------:
";
std::string c("cccccc");
std::cout << c << "
";
return 0;
}
（1）智能指针std::shared_ptr 与普通指针的转换
std::shared_ptr 和普通指针的转换_指针转shared_ptr_HosannaX的博客-CSDN博客
struct test{
int num;
string name;
};
test* pTest = new test();
std::shared_ptr<test> ptr_test = std::shared_ptr<test>(pTest); //普通指针转shared_ptr
std::shared_ptr<test> ptr_test2 = std::make_shared<test>();
test* pTest2 = ptr_test2.get(); //shared_ptr转普通指针例1
报错如下：
#include <stdio.h>
#include <iostream>
int main(){
std::string a = "AAAAA";
printf(a);
return 0;
}
修改如下：
#include <stdio.h>
#include <iostream>
int main(){
char* a = "AAAAA";
printf(a);
return 0;
}
例2
#include <stdio.h>
#include <iostream>
int main(){
std::shared_ptr<char> cptr = std::make_shared<char>('A');
printf(cptr.get());
return 0;
}
#include <stdio.h>
#include <iostream>
int main(){
// 或 std::shared_ptr<std::string> cptr = std::make_shared<std::string>(10, 'A');
std::shared_ptr<std::string> cptr = std::make_shared<std::string>("AAAAAAAAAAA");
// 或 std::cout << *cptr.get();
printf(cptr.get()->c_str());
return 0;
}
（2）智能指针std::shared_ptr 指向数组
5种创建指向数组的智能指针shared_ptr/unique_ptr的方法_智能指针创建数组_我不是萧海哇~~~~的博客-CSDN博客
#include <iostream>
int main(){
std::cout << "数：
";
int* a = new int(10);
std::cout << "a: " << *a << "
";
std::cout << "数组：
";
int* b = new int[10];
std::cout << "b: " << *b << "
";
std::cout << "b[5]: " << b[5] << "
";
std::cout << "数组赋值：
";
b[0] = 0;
b[5] = 5;
std::cout << "b: " << *b << "
";
std::cout << "b[5]: " << b[5] << "
";
std::cout << "-----------------
";
std::cout << "数：
";
std::shared_ptr<int> a1 = std::make_shared<int>(10);
std::cout << "a1: " << *a1 << "
";
std::cout << "数组：
";
// std::shared_ptr<int> b1 = std::make_shared<>(new int[10]); // 错误
std::shared_ptr<int> b1(new int[10], std::default_delete<int[]>()); // 创建指向数组的智能指针
std::cout << "b1: " << *b1 << "
";
// std::cout << "b1[5]: " << b1[5]; // 错误
std::cout << "b1[5]: " << b1.get()[5] << "
";
std::cout << "数组赋值：
";
b1.get()[0] = 0;
b1.get()[5] = 5;
std::cout << "b1: " << *b1 << "
";
std::cout << "b1[5]: " << b1.get()[5] << "
";
return 0;
}
#include <iostream>
int main(){
std::shared_ptr<char> b1(new char[10], std::default_delete<char[]>()); // 创建指向数组的智能指针
b1.get()[0] = 'h';
b1.get()[1] = 'a';
b1.get()[2] = 'p';
b1.get()[3] = 'p';
b1.get()[4] = 'y';
std::cout << "b1: " << b1.get() << "
";
return 0;
}
③ int main( ) 里的参数 int argc, char* argv[] 的作用
c++中int main ( int argc , char** argv )_c++ int main_啦啦大侠的博客-CSDN博客
- int main () 是一种对主函数的参数缺省的写法，也是我是在学习C++时主要用到的一种写法，自己也很习惯这种写法。
- int main ( int argc , char** argv ) 和 int main ( int argc , char* argv[] ) 是一样的效果和作用。其中argc是在运行编译的程序时：输入参数的个数+ 1（因为要包括程序名，程序名也算是一个参数）。argv则是指向这些参数的指针数组。
#include <iostream>
int main(int argc, char* argv[]){
printf("argc: %d
", argc);
for(int i = 0; i < argc; i++){
printf("argv[%d]: %s
", i, argv[i]);
}
return 0;
}
当然，在不缺省参数下，如果用不到参数的话，不给参数也是可以运行的：
#include <iostream>
int main(int argc, char* argv[]){
printf("test
");
return 0;
}
④ char*、char[]、string之间的转换
char * 与char []区别总结_char*_bitcarmanlee的博客-CSDN博客
C++中的char，char*，char[]_c++ char*_NeoLy123的博客-CSDN博客
（1）char[]与char*进行转换
报错如下：
#include <iostream>
int main(){
// char*转char[]: 字符拷贝实现，不能进行赋值操作
char* str2 = "def";
char str3[] = str2;
printf("str2:%s str3:%s
", str2, str3);
}
修改如下：
#include <iostream>
int main(){
// char[]转char*: 直接赋值
char str[] = "abc";
char* str1 = str;
printf("str:%s str1:%s
", str, str1);
// char*转char[]: 字符拷贝实现，不能进行赋值操作
char* str2 = "def";
char str3[] = "12345";
std::strncpy(str3, str2, strlen(str2) + 1); // 注意加1操作
printf("str2:%s str3:%s
", str2, str3);
}
（2）char*与string进行转换
#include <iostream>
int main(){
// char*转string
char* str = "hello";
// 赋值转换
std::string str1 = str;
// 构造转换
std::string str2(str, str + strlen(str));
printf("str:%s str1:%s str2:%s
", str, str1.c_str(), str2.c_str());
// string转char*:赋值转换
std:: string str3 = "abc";
// char* str4 = str3.c_str(); // 错误
char* str4 = const_cast<char*>(str3.c_str());
printf("str3:%s str4:%s
", str3.c_str(), str4);
}
（3）char[]与string进行转换
#include <iostream>
int main(){
// char[]转string
// 直接赋值
char str[] = "abc";
std::string str1 = str;
// 构造实现
std::string str2(str, str + strlen(str));
printf("str:%s str1:%s str2:%s
", str, str1.c_str(), str2.c_str());
// string转char[]:构造实现
std::string str3 = "12345";
char str4[] = "qwerty";
strncpy(str4, str3.c_str(), str3.length() + 1);
printf("str3:%s str4:%s
", str3.c_str(), str4);
}
⑤ #define语句后面是否加分号
#define语句后面加分号（转载）_define后面加分号吗_斗转星移3的博客-CSDN博客
所谓#define语句后面一般没有分号的原因在于，将要替换的字符串还原之后，导致还原位置的语句出现问题，因此才使得后面不能有分号。
也就是说，如果替换之后，语法正常，其实是可以的（注意空格问题）。
例1
例2
⑥ 自定义拷贝构造函数
类名：：类名 (const 类名 & 对象名)
{
//拷贝构造函数的函数体
}
我们看到拷贝构造函数的参数有且只有一个：就是同类对象的引用。
这么做的原因有两个：
- 因为调用拷贝构造函数的时候是实参向形参传值，如果传进来的不是引用，那么就是值传递，那么就会在函数里又重新创建一个对象，而重新创建又是通过调用拷贝构造函数，所以如果不是引用的话，就会一直调用下去。
- 调用拷贝构造函数时不需要消耗另外的内存空间。
（1）左值引用T& 与 右值引用T&&
结论：const T& (const不能省略)等价于 T&&
- 左值 lvalue 是有标识符、可以取地址的表达式，最常见的情况有：变量、函数或数据成员的名字返回左值引用的表达式，如 ++x、x = 1、cout << ’ '字符串字面量如 "hello world"在函数调用时，左值可以绑定到左值引用的参数，如 T&。一个常量只能绑定到常左值引用，如 const T&。
- 反之，纯右值 prvalue 是没有标识符、不可以取地址的表达式，一般也称之为“临时对象”。最常见的情况有：返回非引用类型的表达式，如 x++、x + 1、make_shared(42)除字符串字面量之外的字面量，如 42、true。
引入右值引用，就是为了移动语义。移动语义就是为了减少拷贝。std::move就是将左值转为右值引用。这样就可以重载到移动构造函数了，移动构造函数将指针赋值一下就好了，不用深拷贝了，提高性能。
例1
报错如下：
#include <iostream>
void process_value(int& i) {
std::cout << "左值引用: " << i << std::endl;
}
int main() {
int a = 0;
process_value(a);
process_value(1); // 报错
}
修改如下：
#include <iostream>
void process_value(const int& i) {
std::cout << "左值引用: " << i << std::endl;
}
int main() {
int a = 0;
process_value(a);
process_value(1);
}
也可修改如下：
#include <iostream>
void process_value(int& i) {
std::cout << "左值引用: " << i << std::endl;
}
void process_value(int&& i) {
std::cout << "右值引用: " << i << std::endl;
}
int main() {
int a = 0;
process_value(a); // 左值引用: 0
process_value(1); // 右值引用: 1
}
例2
报错如下：
CStatus.h
CFuncType.h
CObject.h
修改如下：
CStatus.h
CObject.h
也可修改如下：
CStatus.h
CObject.h
（2）const引发的报错
例1
对象含有与成员 函数 "CGraph::CSTATUS::isOK" 不兼容的类型限定符 -- 对象类型是: const CGraph::CSTATUS
报错如下：
修改如下：
例2
报错如下：
修改如下：
⑦ .inl文件在c++中的意义
.inl文件从不强制，对编译器没有特别的意义。 这只是一种构build代码的方式，可以为可能读取它的人提供提示。
在两种情况下我使用.inl文件：
- 有关内联函数的定义。
- 有关function模板的定义。
在这两种情况下，我把函数的声明放在一个头文件中，这个文件包含在其他文件中，然后我在头文件的底部包含.inl文件。
我喜欢它，因为它将接口从实现中分离出来，并使头文件更容易阅读。 如果你关心实现细节，你可以打开.inl文件并阅读它。 如果你不这样做，你不需要。
例1
UDistance.h
#ifndef CGRAPH_UDISTANCE_H
#define CGRAPH_UDISTANCE_H
#include "UDistanceObject.h"
CGRAPH_NAMESPACE_BEGIN
/** 传入的类型和计算结果的类型，可能不同。一般默认相同 */
template<typename TSrc, typename TRes = TSrc>
class UDistance : public UDistanceObject {
public:
/**
* 计算距离信息
* @param v1 向量1
* @param v2 向量2
* @param dim1 向量1的维度
* @param dim2 向量2的维度
* @param result 结果信息
* @param ext 可扩展信息
* @return
*/
virtual CStatus calc(const TSrc* v1, const TSrc* v2, CSize dim1, CSize dim2, TRes& result, CVoidPtr ext) = 0;
/**
* 判断入参信息是否符合
* @param v1
* @param v2
* @param dim1
* @param dim2
* @param ext
* @return
*/
virtual CStatus check(const TSrc* v1, const TSrc* v2, CSize dim1, CSize dim2, CVoidPtr ext);
/**
* 将数据归一化
* @param v
* @param dim
* @param ext
* @return
*/
virtual CStatus normalize(TSrc* v, CSize dim, CVoidPtr ext);
};
CGRAPH_NAMESPACE_END
#include "UDistance.inl"
#endif //CGRAPH_UDISTANCE_HUDistance.inl
#ifndef CGRAPH_UDISTANCE_INL
#define CGRAPH_UDISTANCE_INL
#include <cmath>
#include "UDistance.h"
CGRAPH_NAMESPACE_BEGIN
template<typename TSrc, typename TRes>
CStatus UDistance<TSrc, TRes>::check(const TSrc* v1, const TSrc* v2, CSize dim1, CSize dim2, CVoidPtr ext) {
CGRAPH_FUNCTION_BEGIN
CGRAPH_ASSERT_NOT_NULL(v1)
CGRAPH_ASSERT_NOT_NULL(v2)
if (0 == dim1 * dim2) {
// 理论上不应该传入 dim=0 向量
CGRAPH_RETURN_ERROR_STATUS("input dim error")
}
CGRAPH_FUNCTION_END
}
template<typename TSrc, typename TRes>
CStatus UDistance<TSrc, TRes>::normalize(TSrc* v, CSize dim, CVoidPtr ext) {
CGRAPH_FUNCTION_BEGIN
/** 这里不需要判定v为空的情况，需要的话可以通过开启 needCheck 逻辑来判断 */
TSrc val = 0;
for (CSize i = 0; i < dim; i++) {
val += (v[i] * v[i]);
}
const TSrc& denominator = 1 / std::sqrt(val); // 分母信息
for (CSize i = 0; i < dim; i++) {
v[i] = v[i] * denominator;
}
CGRAPH_FUNCTION_END
}
CGRAPH_NAMESPACE_END
#endif //CGRAPH_UDISTANCE_INL⑧ final
该关键字是用来标识虚函数不能在子类中被覆盖(override)，或一个类不能被继承。
#include <iostream>
struct Base{
virtual void foo();
};
struct A : public Base {
void foo() final; // Base::foo被覆盖 而 A::foo是最终的覆盖函数
void bar1();
// void bar2() final; // error: only virtual member functions can be marked 'final'
};
struct B final : public A {
// void foo() override; // error: declaration of 'foo' overrides a 'final' function
};
// struct C : public B {}; // error: base 'B' is marked 'final'
int main(){
return 0;
}⑨ 对象初始化 大括号'{ }'，等号 '=' ，圆括号 '( )'
使用等号初始化经常会让C++初学者认为会进行一次赋值，但不是那样的。对于内置类型，例如int，初始化和赋值操作的差别是模糊的。但是对于用户定义的类，区分初始化和赋值操作是很重要的，因为这会导致不同的函数调用：
Widget w1; // 调用默认构造函数
Widget w2 = w1; // 不是赋值操作，调用拷贝构造函数（ Widget w2(w1) ）
w1 = w2; // 赋值操作（调用operator=函数）因为初始化的语法很混乱，而且有些情况无法实现，所以C++11提出了统一初始化语法：一种至少在概念上可以用于表达任何值的语法。它的实现基于大括号，所以我称之为大括号初始化。
使用大括号可以更容易的初始化容器列表初始化：std::vector<int> v{1, 3, 5};
大括号也可以用于类内成员的默认初始值，在C++11中，等号”=”也可以实现，但是圆括号 '( )' 则不可以：
class Widget {
...
private:
int x{ 0 }; // x的默认初始值为0
int y = 0; // 同上
int z( 0 ); // 报错
}另一方面，不可拷贝对象(例如，std::atomic)可以用大括号和圆括号初始化，但不能用等号：
std::atomic<int> ai1{ 0 }; // 可以
std::atomic<int> ai2( 0 ); // 可以
std::atomic<int> ai3 = 0; // 报错注意：当大括号初始化用于内置类型的变量时，如果我们初始值存在丢失信息的风险，则编译器将报错：
double ld = 3.14;
int a {ld}; // 报错，存在信息丢失风险
int b (ld); // 正确大括号初始化的另一个值得注意的特性是它会免疫C++中的最让人头痛的歧义。当开发者想要一个默认构造的对象时，程序会不经意地声明个函数而不是构造对象。
Widget w1(10); // 调用Widget的带参构造函数但当你尝试用类似的语法调用无参构造时，你声明了个函数，而不是创建对象：
Widget w2();// 最让人头痛的歧义，声明了一个名为w2，不接受任何参数，返回Widget类型的函数！
Widget w2; // 正确：w2是个默认初始化的对象使用大括号包含参数是无法声明为函数的，所以使用大括号默认构造对象不会出现这个问题：
Widget w2{}; // 无歧义我们讲了很多大括号初始化的内容，这种语法可以用于多种场景，还可以避免隐式范围窄化转换，又免疫C++的最让人头痛的歧义问题。一举多得，那么为什么这条款不起名为“用大括号初始化语法替代其他”呢?
大括号初始化的缺点是它有时会显现令人惊讶的的行为。这些行为的出现是因为与std::initializer_list混淆了。在构造函数中，只要形参不带有std::initializer_list，圆括号和大括号行为一致：
class Widget {
public:
Widget(int i, bool b);
Widget(int i, double d);
...
};
Widget w1(10, true); // 调用第一个构造函数
Widget w2{10, true}; // 调用第一个构造函数
Widget w3(10, 5.0); // 调用第二个构造函数
Widget w4{10, 5.0}; // 调用第二个构造函数但是，如果构造函数的形参带有std::initializer_list，调用构造函数时大括号初始化语法会强制使用带std::initializer_list参数的重载构造函数：
class Widget {
public:
Widget(int i, bool b);
Widget(int i, double d);
Widget(std::initializer_list<long double> il);
...
};
Widget w1(10, true); // 使用圆括号，调用第一个构造函数
Widget w2{10, true}; // 使用大括号，强制调用第三个构造函数，10和true被转换为long double
Widget w3(10, 5.0); // 使用圆括号，调用第二个构造函数
Widget w4{10, 5.0}; // 使用大括号，强制调用第三个构造函数，10和5.0被转换为long double此时此刻，大括号初始化，std::initializer_list，构造函数重载之间的复杂关系在你的大脑中冒泡，你可能想要知道这些信息会在多大程度上关系到你的日常编程。可能比你想象中要多，因为std::vector就是一个被它们直接影响的类。std::vector中有一个可以指定容器的大小和容器内元素的初始值的不带std::initializer_list构造函数，但它也有一个可以指定容器中元素值的带std::initializer_list函数:
// 使用不带std::initializer_list的构造函数
// 创建10个元素的vector，每个元素的初始值为20
std::vector<int> v1(10, 20);
// 使用带std::initializer_list的构造函数
// 创建2个元素的vector，元素值为10和20
std::vector<int> v2 = {10, 20}; ⑩ 头文件相互嵌套，提示没有这个类的问题解决方法
这样相互包含的问题，可以用前置声明解决。即：在头文件中声明该类，在实现文件中包含该类。
C++ 前置声明_c++ 前置声明 命名空间_HUSTER593的博客-CSDN博客
报错如下：
A.h
#ifndef A_H
#define A_H
#include <iostream>
#include "B.h"
class A{
public:
static std::string aName;
static std::shared_ptr<B> b;
};
std::string A::aName = "AAAAA";
std::shared_ptr<B> A::b = nullptr;
#endifB.h
#ifndef B_H
#define B_H
#include <iostream>
#include "A.h"
class B{
public:
static std::string bName;
};
std::string B::bName = A::aName + "BBBBB";
#endifA.cpp
#include <iostream>
#include "A.h"
int main(){
std::cout << A::b->bName;
return 0;
}
修改如下：
A.h
#ifndef A_H
#define A_H
#include <iostream>
class B;
class A{
public:
static std::string aName;
static std::shared_ptr<B> b;
};
std::string A::aName = "AAAAA";
std::shared_ptr<B> A::b = nullptr;
#endifB.h
#ifndef B_H
#define B_H
#include <iostream>
#include "A.h"
class B{
public:
static std::string bName;
};
std::string B::bName = A::aName + "BBBBB";
#endifA.cpp
#include <iostream>
#include "A.h"
#include "B.h"
int main(){
std::cout << A::b->bName;
return 0;
}
2.
① 互斥锁与条件变量的结合使用
互斥锁：在多个线程同时访问同一个变量的情况下，保证在某一个时刻只能有一个线程访问。每个线程在访问共享变量的时候，首先要先获得锁，然后才能访问共享变量，当一个线程成功获得锁时，其他变量都会block在获取锁这一步，这样就达到了保护共享变量的目的。
条件变量：用于多线程之间的线程同步。线程同步是指线程间需要按照预定的先后顺序进行的行为，比如我想要线程1完成了某个步骤之后，才允许线程2开始工作，这个时候就可以使用条件变量来达到目的。
（1）互斥锁需要条件变量的原因
以一个生产者消费者的例子来看，生产者和消费者通过一个队列连接，因为队列属于共享变量，所以在访问队列时需要加锁。生产者向队列中放入消息的时间是不一定的，因为消费者不知道队列什么时候有消息，所以只能不停循环判断或者sleep一段时间，不停循环会浪费cpu资源，如果sleep那么要sleep多久，sleep太短又会浪费资源，sleep太长又会导致消息消费不及时。
#include <iostream>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <queue>
#include <random>
uint64_t GetNowUs()
{
struct timeval tv;
gettimeofday(&tv, NULL);
return tv.tv_sec * 1000000 + tv.tv_usec;
}
struct Message
{
Message(int _id, const std::string& _msg)
: id(_id), msg(_msg)
{
genTime = GetNowUs();
}
// 消费消息时打印消息产生时间和消费时间的间隔
void Consume()
{
uint64_t dura = GetNowUs() - genTime;
std::cout << "ID:" << id << " dura:" << dura << " " << msg << std::endl;
}
int id;
uint64_t genTime;
std::string msg;
};
std::mutex mtx; // 全局互斥锁.
std::queue<Message> msgQueue;
uint32_t GetSleepTime()
{
static std::random_device rd;
static std::default_random_engine engine(rd());
static std::uniform_int_distribution<uint32_t> dist(1, 10);
return dist(engine);
}
// 生产者每隔一个随机的时间（1~10秒），就会生产一条消息
void DoProduce(int id)
{
while (true)
{
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
msgQueue.push(Message(id, "new message"));
}
sleep(GetSleepTime());
}
}
// 当队列中的消息被消费完，消费者slepp 3秒
void DoConsume()
{
while (true)
{
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
while (!msgQueue.empty())
{
msgQueue.front().Consume();
msgQueue.pop();
}
}
sleep(3);
}
}
int main()
{
int num = 4;
std::thread producers[num];
std::thread consumer(DoConsume);
for (int i = 0; i < num; ++i)
{
producers[i] = std::thread(DoProduce, i);
}
for (int i = 0; i < num; ++i)
{
producers[i].join();
}
consumer.join();
return 0;
}
这个时候运行程序的结果可以看出来，有的消息很快就会被消费，有的消息要等3秒才能被消费。这个时候其实我们想要的很简单，就是生产者生产完消息之后，通知一下消费者，这个时候就可以引入我们的条件变量了。
使用条件变量改进后的代码 ：
#include <iostream>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <queue>
#include <random>
uint64_t GetNowUs()
{
struct timeval tv;
gettimeofday(&tv, NULL);
return tv.tv_sec * 1000000 + tv.tv_usec;
}
struct Message
{
Message(int _id, const std::string& _msg)
: id(_id), msg(_msg)
{
genTime = GetNowUs();
}
// 消费消息时打印消息产生时间和消费时间的间隔
void Consume()
{
uint64_t dura = GetNowUs() - genTime;
std::cout << "ID:" << id << " dura:" << dura << " " << msg << std::endl;
}
int id;
uint64_t genTime;
std::string msg;
};
std::mutex mtx; // 全局互斥锁.
std::condition_variable cond; // 全局条件变量.
std::queue<Message> msgQueue;
uint32_t GetSleepTime()
{
static std::random_device rd;
static std::default_random_engine engine(rd());
static std::uniform_int_distribution<uint32_t> dist(1, 10);
return dist(engine);
}
// 生产者每隔一个随机的时间（1~10秒），就会生产一条消息，生产消息之后通知消费者
void DoProduce(int id)
{
while (true)
{
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
msgQueue.push(Message(id, "new message"));
cond.notify_one();
}
sleep(GetSleepTime());
}
}
// 消费者消费完之后，等待生产者的通知
void DoConsume()
{
while (true)
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
while (!msgQueue.empty())
{
msgQueue.front().Consume();
msgQueue.pop();
}
cond.wait(lock);
}
}
int main()
{
int num = 4;
std::thread producers[num];
std::thread consumer(DoConsume);
for (int i = 0; i < num; ++i)
{
producers[i] = std::thread(DoProduce, i);
}
for (int i = 0; i < num; ++i)
{
producers[i].join();
}
consumer.join();
return 0;
}前后对比：
生产者从
到
消费者从
到
通过上面的示例，我们就可以知道，互斥锁只能保证线程之间的互斥，但是不能保证线程之间的执行顺序，而引入条件变量，就是控制线程之间的执行顺序，以生产者消费者为例，就是生产者生产完消息之后，消费者才去消费消息。而不是消费者盲目的去循环或者sleep。
（2）条件变量需要互斥锁的原因
既然条件变量可以线程之间进行同步，那为什么还要互斥锁呢？也就是为什么条件变量一定要和互斥锁一起使用呢？
就拿上面的例子来说，互斥锁是为了保证队列同一时刻只能被一个线程访问。如果队列换成无锁队列，是不是就不需要互斥锁了呢？
为了解释这个问题，我们假设程序使用的是无锁队列。消费者的逻辑 可以简单分为两步：
- 消费消息直至消费完；
- 执行cond.wait(lock)开始等待下一次通知。
如果有互斥锁的情况下，这两步是原子的，就是在这个过程中是不会有新的消息添加到队列中的。那如果没有互斥锁保护，那么这两步就不是原子的了，比如刚执行完步骤1，生产者在队列里添加了一个消息，生产者添加消息并发送通知之后消费者才开始执行步骤2，这个时候就会导致这个新添加的消息无法及时被消费者消费到。
② 多线程并发
以两个线程并发举例：
第1次运行结果：
第2次运行结果：
第3次运行结果：
所以想到给共享资源加锁。
（1）互斥量mutex与原子变量atomic
先说结论：mutex一般不单独使用，而是用模板类std::unique_lock()来管理。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx;
int globalV = 0;
void task(){
for(int i = 0; i < 1000000; i++){
mtx.lock();
globalV++;
globalV--;
mtx.unlock();
}
}
int main(){
std::thread t1(task);
std::thread t2(task);
t1.join();
t2.join();
printf("globalV = %d", globalV);
return 0;
}
如上直接加锁，虽然得到的值一直为0了，但是存在线程不安全的问题，如死锁。
以下是会发生死锁的第一种情况：
结果是一直运行，卡在那里不会结束。
以下是会出现死锁的第二种情况：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx1;
std::mutex mtx2;
int globalV = 0;
void task1(){
for(int i = 0; i < 1000000; i++){
mtx1.lock();
mtx2.lock();
globalV++;
globalV--;
mtx1.unlock();
mtx2.unlock();
}
}
void task2(){
for(int i = 0; i < 1000000; i++){
mtx2.lock();
mtx1.lock();
globalV++;
globalV--;
mtx2.unlock();
mtx1.unlock();
}
}
int main(){
std::thread t1(task1);
std::thread t2(task2);
t1.join();
t2.join();
printf("globalV = %d", globalV);
return 0;
}任务1先申请锁1， 任务2先申请锁2。接着任务1申请锁2，但此时锁2已经任务2被占用着（任务2同理），就出现了死锁。
针对死锁的第一种情况，可以通过模板类std::lock_guard() 来解决（RAII的思想）:
解决前：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx;
int globalV = 0;
void task(){
for(int i = 0; i < 10000000; i++){
// std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
globalV++;
globalV--;
if(i == 1000000){
return;
}
}
}
int main(){
std::thread t1(task);
std::thread t2(task);
t1.join();
t2.join();
printf("globalV = %d", globalV);
return 0;
}
第1次运行结果：
第2次运行结果：
第3次运行结果：
解决后：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx;
int globalV = 0;
void task(){
for(int i = 0; i < 10000000; i++){
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
globalV++;
globalV--;
if(i == 1000000){
return;
}
}
}
int main(){
std::thread t1(task);
std::thread t2(task);
t1.join();
t2.join();
printf("globalV = %d", globalV);
return 0;
}
需注意，std::unique_lock() 比 std::lock_guard() 的优势是前者可以提前控制解锁，以达到控制作用域范围的目的，后者则不行，只能等待自行析构释放。
针对死锁的第二种情况，解决方法如下：
任务1与任务2的加锁解锁顺序保持一致
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx1;
std::mutex mtx2;
int globalV = 0;
void task1(){
for(int i = 0; i < 10000000; i++){
mtx1.lock();
mtx2.lock();
globalV++;
globalV--;
mtx1.unlock();
mtx2.unlock();
}
}
void task2(){
for(int i = 0; i < 10000000; i++){
mtx1.lock();
mtx2.lock();
globalV++;
globalV--;
mtx1.unlock();
mtx2.unlock();
}
}
int main(){
std::thread t1(task1);
std::thread t2(task2);
t1.join();
t2.join();
printf("globalV = %d", globalV);
return 0;
}
或者通过std::lock()把多把锁都锁在一起：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx1;
std::mutex mtx2;
int globalV = 0;
void task1(){
for(int i = 0; i < 10000000; i++){
std::lock(mtx1, mtx2);
globalV++;
globalV--;
mtx1.unlock();
mtx2.unlock();
}
}
void task2(){
for(int i = 0; i < 10000000; i++){
std::lock(mtx1, mtx2);
globalV++;
globalV--;
mtx1.unlock();
mtx2.unlock();
}
}
int main(){
std::thread t1(task1);
std::thread t2(task2);
t1.join();
t2.join();
printf("globalV = %d", globalV);
return 0;
}
此外，也可以直接用原子操作std::atomic() 来代替 mutex：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
std::atomic<int> globalV; // 原子操作常用于计数
// std::atomic<int> globalV = 0; // 报错
void task(){
for(int i = 0; i < 10000000; i++){
globalV++;
globalV--;
}
}
int main(){
std::thread t1(task);
std::thread t2(task);
t1.join();
t2.join();
std::cout << globalV;
return 0;
}
（2）条件变量condition_variable
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <deque>
#include <condition_variable>
std::mutex mtx;
std::deque<int> dq;
std::condition_variable cv;
void producer(){
int i = 0;
while (1){
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
dq.push_back(i);
cv.notify_one(); // 唤醒
if(i < 999){
i++;
}else{
i = 0;
}
}
}
void consumer1(){
int data = 0;
while (1){
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
// 用while来避免虚假唤醒
while (dq.empty()){
cv.wait(lock); // 休眠
}
data = dq.front();
dq.pop_front();
printf("consumer1 get value from deque: %d
", data);
}
}
void consumer2(){
int data = 0;
while (1){
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
while (dq.empty()){
cv.wait(lock);
}
data = dq.front();
dq.pop_front();
printf("consumer2 get value from deque: %d
", data);
}
}
int main(){
std::thread t1(producer);
std::thread t2(consumer1);
std::thread t3(consumer2);
t1.join();
t2.join();
t3.join();
return 0;
}
（3）future（shared_future）、promise
#include <iostream>
#include <thread>
#include <unistd.h>
void task(int a, int b, int& ret){
ret = a*b;
}
int main(){
int ret_ = 0;
std::thread t(task, 3, 5, std::ref(ret_));
// sleep(4); // do something
// ret_是主线程与子线程的共享变量，在不加锁的时候会有问题
printf("get value: %d
", ret_); // 若不加延时，至此的子线程还没来得及生效，所以ret_尚未改变
t.join();
printf("get value: %d
", ret_); // join后，子线程已执行完毕，所以ret_对应子线程的修改结果
return 0;
}
对比如下：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <unistd.h>
void task(int a, int b, int& ret){
ret = a*b;
}
int main(){
int ret_ = 0;
std::thread t(task, 3, 5, std::ref(ret_));
sleep(4); // do something
// ret_是主线程与子线程的共享变量，在不加锁的时候会有问题
printf("get value: %d
", ret_);
t.join();
printf("get value: %d
", ret_);
return 0;
}
以上的ret_是主线程与子线程的共享变量，所以在不加锁的时候会有问题，现通过 mutex与condition_variable 修改如下：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <unistd.h>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
void task(int a, int b, int& ret){
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
ret = a*b;
cv.notify_one();
}
int main(){
int ret_ = 0;
std::thread t(task, 3, 5, std::ref(ret_));
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock); // 用条件变量确保子线程完成后，才会往下继续执行
printf("get value: %d
", ret_);
t.join();
printf("get value: %d
", ret_);
return 0;
}
以上的实现是正确的，也可以用future+promise来实现：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <future>
void task(int a, int b, std::promise<int>& p){
p.set_value(a*b);
}
int main(){
std::promise<int> p_;
std::thread t(task, 3, 5, std::ref(p_));
std::future<int> f = p_.get_future();
printf("get value: %d
", f.get()); // f.get()只能执行一次
t.join();
return 0;
}
再如：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <future>
#include <unistd.h>
void task(int a, std::future<int>& b, std::promise<int>& p){
p.set_value(a*b.get());
}
int main(){
std::promise<int> p_ret, p_in;
std::future<int> f_in = p_in.get_future();
std::thread t(task, 3, std::ref(f_in), std::ref(p_ret));
sleep(4); // do something
p_in.set_value(8); // task()的第二个参数不是立即给出，而是等待一段操作后再传入
std::future<int> f_ret = p_ret.get_future();
printf("get value: %d
", f_ret.get());
t.join();
return 0;
}
std::shared_future用法：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <future>
#include <unistd.h>
void task(int a, std::shared_future<int> b, std::promise<int>& p){
p.set_value(a*b.get());
}
int main(){
std::promise<int> p_in, p_ret1, p_ret2, p_ret3, p_ret4;
std::future<int> f_in = p_in.get_future();
std::shared_future<int> s_f = f_in.share();
std::thread t1(task, 1, s_f, std::ref(p_ret1));
std::thread t2(task, 2, s_f, std::ref(p_ret2));
std::thread t3(task, 3, s_f, std::ref(p_ret3));
std::thread t4(task, 4, s_f, std::ref(p_ret4));
sleep(4); // do something
p_in.set_value(8); // task()的第二个参数不是立即给出，而是等待一段操作后再传入
std::future<int> f_ret1 = p_ret1.get_future();
std::future<int> f_ret2 = p_ret2.get_future();
std::future<int> f_ret3 = p_ret3.get_future();
std::future<int> f_ret4 = p_ret4.get_future();
printf("t1 get value: %d
", f_ret1.get());
printf("t2 get value: %d
", f_ret2.get());
printf("t3 get value: %d
", f_ret3.get());
printf("t4 get value: %d
", f_ret4.get());
t1.join();
t2.join();
t3.join();
t4.join();
return 0;
}
（4）std::async
#include <iostream>
#include <thread>
#include <unistd.h>
#include <future>
#include <chrono>
int task(int a, int& b){
sleep(2);
b = 8;
return a*b;
}
int main(){
auto begin = std::chrono::high_resolution_clock::now();
int ret = 4;
// std::launch::async会另起线程；std::launch::deferred延迟执行，不会另起线程
// std::future<int> f = std::async(std::launch::async, task, 3, std::ref(ret));
std::future<int> f = std::async(std::launch::deferred, task, 3, std::ref(ret));
sleep(4);
printf("ret: %d
", ret);
printf("f.get(): %d
", f.get()); // 阻塞至get()才会执行
printf("ret: %d
", ret);
auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
std::chrono::duration<float> duration = end - begin;
// printf("测试std::launch::async，总耗时: %fs
", duration.count());
printf("测试std::launch::deferred，总耗时: %fs
", duration.count());
return 0;
}
风语者！平时喜欢研究各种技术，目前在从事后端开发工作，热爱生活、热爱工作。
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