C++ Concurrency

std::thread

C++11 引入了標準的 thread 函式庫，用法如下：

#include <iostream>
#include <thread>

int main() {
    std::thread t([](){
        std::cout << "hello world." << std::endl;
    });
    t.join();
    return 0;
}

Locks

• std::mutex : lock 的基本元件，提供 lock 與 unlock 功能建立 critical section
  • 不建議直接使用，因為需要記得手動 lock 與 unlock
• std::lock_guard : std::mutex 的 wrapper，創建時自動 lock mutex，解構時自動 unlock
• std::unique_lock : std::mutex 的 wrapper，創建時自動 lock，中途可以選擇 unlock 並再度 lock，解構時會自動 unlock

  • 建議優先選擇用這個

  • 範例：

    #include <iostream>
    #include <mutex>
    #include <thread>
    
    int v = 1;
    
    void critical_section(int change_v) {
        static std::mutex mtx;
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        // do contention operations
        v = change_v;
        std::cout << v << std::endl;
        // release the lock
        lock.unlock();
    
        // during this period, others are allowed to acquire v
    
        // start another group of contention operations
        // lock again
        lock.lock();
        v += 1;
        std::cout << v << std::endl;
        // Unlock when it disappears
    }
    
    int main() {
        std::thread t1(critical_section, 2), t2(critical_section, 3);
        t1.join();
        t2.join();
        return 0;
    }
    

std::future

一個用來建立 task，等待未來回收結果的 utility 元件。

詳情：https://changkun.de/modern-cpp/en-us/07-thread/#7-3-Future

std::condition_variable

提供 wait() 與 notify_all() 與 notify_one() 的功能，讓 thread 可以進入等待狀態，其他 thread 也可以叫醒等待的 thread

範例：https://changkun.de/modern-cpp/en-us/07-thread/#7-4-Condition-Variable

std::atomic

如果想要保證一些常見操作（例如 ++）的原子性，除了使用 std::mutex 建立 critical section 之外，也可以使用 std::atomic 。 這樣可以大幅減少要撰寫的程式碼。 下面展示使用 std::atomic 做出 atomic 的 ++ 操作的範例：

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

std::atomic<int> count = {0};

int main() {
    std::thread t1([](){
        count.fetch_add(1);
    });
    std::thread t2([](){
        count++;        // identical to fetch_add
        count += 1;     // identical to fetch_add
    });
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << count << std::endl;
    return 0;
}

因為 std::atomic 實際上是一個 template，可以容納任何類型的資料，因此 C++ 有提供額外的 API 檢查該類型資料是否有保障原子性：

#include <atomic>
#include <iostream>

struct A {
    float x;
    int y;
    long long z;
};

int main() {
    std::atomic<A> a;
    std::cout << std::boolalpha << a.is_lock_free() << std::endl;
    return 0;
}