C++11的一些新特性|线程库|包装器|lambda表达式

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文章目录

一、可变参数模板

1.可变参数模板

2.STL容器中emplace相关函数接口:

二、lambda表达式

1.c++98中的一个例子

2.lambda表达式

三、包装器

1.fuction包装器

四、线程库

1.thread类简单介绍

2.并发和并行的区别

3.线程函数参数

4.原子性操作库

5.锁

1.std::mutex

2.std::recursive_mutex

3.lock_guard

4.unique_lock

5.支持两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数

一、可变参数模板

1.可变参数模板

c++11的新特性可变参数模板可以接受多个参数，如下是一个基本可变参数的函数模板:

// Args是一个模板参数包，args是一个函数形参参数包
// 声明一个参数包Args...args，这个参数包中可以包含0到任意个模板参数。
template <class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{}

上面args前面有省略号，所以它就是一个可变参数模板，带省略号的参数称为参数包，它里面包含了0到N个模板参数。我们无法直接获取参数包中的每个参数，只能通过展开来获取。

1.递归展开获取参数包

// 递归终止函数
template <class T>
void ShowList(const T& t)
{
 cout << t << endl;
}
// 展开函数
template <class T, class ...Args>
void ShowList(T value, Args... args)
{
 cout << value <<" ";
 ShowList(args...);
}
int main()
{
 ShowList(1);
 ShowList(1, 'A');
 ShowList(1, 'A', std::string("sort"));
 return 0;
}

2.逗号表达式获取参数包

template <class T>
void PrintArg(T t)
{
 cout << t << " ";
}
//展开函数
template <class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
 int arr[] = { (PrintArg(args), 0)... };
 cout << endl;
}
int main()
{
 ShowList(1);
 ShowList(1, 'A');
 ShowList(1, 'A', std::string("sort"));
 return 0;
}

2.STL容器中emplace相关函数接口:

template<class ... args>
void emplace_back(Args&& ...args);

首先我们看到emplace系列接口，支持模板的可变参数，并且万能引用，那么相对insert和emplace的优势在哪：

std::list< std::pair<int, char> > mylist;
 // emplace_back支持可变参数，拿到构建pair对象的参数后自己去创建对象
 // 那么在这里我们可以看到除了用法上，和push_back没什么太大的区别
 mylist.emplace_back(10, 'a');
 mylist.emplace_back(20, 'b');
 mylist.emplace_back(make_pair(30, 'c'));
 mylist.push_back(make_pair(40, 'd'));
 mylist.push_back({ 50, 'e' });
 for (auto e : mylist)
 cout << e.first << ":" << e.second << endl;

// 下面我们试一下带有拷贝构造和移动构造的bit::string，再试试呢
// 我们会发现其实差别也不到，emplace_back是直接构造了，push_back
// 是先构造，再移动构造
 std::list< std::pair<int, bit::string> > mylist;
 mylist.emplace_back(10, "sort");
 mylist.emplace_back(make_pair(20, "sort"));
 mylist.push_back(make_pair(30, "sort"));
 mylist.push_back({ 40, "sort"});

二、lambda表达式

1.c++98中的一个例子

在c++98中，如果想要对一个数据集合中的元素排序，可以使用std::sort方法，如果待排序元素为自定义类型，需要用户定义排序时的比较规则

int main()
{
 vector v = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2, 
3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } };
 sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess());
sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());
}

这样每次为了实现一个算法，都需要重写一个类，如果每次比较逻辑不同，需要写多个类，而且相同类的命名给编程带来很大不方便，所以使用lambda表达式。

2.lambda表达式

2.1lambda表达式语法

书写格式:[capture-lis](parameters)mutable->return-type{statement}

• [capture-list]:捕捉列表，该列表总是出现在lambda函数的开始位置，编译器根据[]来判断是否为lambda函数，捕捉列表能够捕捉上下文中的变量供lambda函数使用
• （parameters):参数列表。与普通函数的参数列表一直，如果不需要参数传递，可以连()一起省略
• mutable：默认情况下，lambda是一个constHanshu ,mutable可以取消其常量下，使用该修饰符时，参数列表不能省略
• ->return type:返回值类型。用追踪返回类型形式声明函数的返回值类型，没有返回值时可以省略。返回值类型明确的情况下，也可以省略。由编译器对返回类型进行推到
• statement：函数体，在该函数体内，除了可以使用参数，还可以使用捕获到的变量
• 注意：
  在 lambda 函数定义中， 参数列表和返回值类型都是可选部分，而捕捉列表和函数体可以为
  空 。因此 C++11 中 最简单的 lambda 函数为： []{} ; 该 lambda 函数不能做任何事情。

• int a = 3,b=4;
  auto fun2 = [=, &b](int c)->int{return b += a+ c; };
  

  捕捉列表描述了上下文中那些数据可以被lambda使用，以及使用的方式传值还是传引用。

  • [var]：表示值传递方式捕捉变量var
  • [=]：表示值传递方式捕获所有父作用域中的变量(包括this)
  • [&var]：表示引用传递捕捉变量var
  • [&]：表示引用传递捕捉所有父作用域中的变量(包括this)
  • [this]：表示值传递方式捕捉当前的this指针

注意：

a. 父作用域指包含lambda函数的语句块

b. 语法上捕捉列表可由多个捕捉项组成，并以逗号分割。

比如：[=, &a, &b]：以引用传递的方式捕捉变量a和b，值传递方式捕捉其他所有变量

[&，a, this]：值传递方式捕捉变量a和this，引用方式捕捉其他变量

c. 捕捉列表不允许变量重复传递，否则就会导致编译错误。

比如：[=, a]：=已经以值传递方式捕捉了所有变量，捕捉a重复

d. 在块作用域以外的lambda函数捕捉列表必须为空。

e. 在块作用域中的lambda函数仅能捕捉父作用域中局部变量，捕捉任何非此作用域或者

非局部变量都会导致编译报错。

f. lambda表达式之间不能相互赋值，即使看起来类型相同

在底层编译器对lambda表达式的处理方式，完全就是按照函数对象的方式处理的。如果定义了一个lambda表达式，编译器会自动生成一个类，在该类中重载了operator()

三、包装器

1.fuction包装器

function包装器，也叫做适配器，c++中function本质是一个类模板，也是一个包装器

ret = func(x);

这里的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lambda表达式对象？这些都是可调用的类型，如此多的类型会导致模板效率低下。包装器可以很好的解决上面问题

#include
 
//类模板原型
template<class T> function;
 
template<class Ret,class ...Args>
class function<Ret(Args...)>;
 
//Ret:被调用函数的返回值类型
//Args...:被调用函数的形参

使用方法如下：

#include
 
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
    std::function<int(int,int)> func1 = f;
    cout<<func1(1,2);<
    //函数指针
    std::function<int(int,int)> func2 = Functor();
    cout<<func2(1,2)<
    //lambda表达式
    std::function<int(int,int)> func3 = [](const int a,const int b){return a+b;};
    cout<<func3(1,2)<
    //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;
}

四、线程库

1.thread类简单介绍

在c++11之前，涉及到多线程问题，都是和平台相关的，wins和linux下各有自己的接口，这使代码的可移植性比较差，在c++11中最重要的特性就是对线程进行支持了，使用是不需要依赖第三方库。而且在原子操作中还引入了原子类

#include

• thread():构造一个线程对象，没有关联任何线程函数，即没有启动线程
• thread(fn,args1,arg2...)构造一个线程对象，并关联线程函数fn,args1,args2...为线程函数参数
• get_id()获取线程id
• joinable():线程是否还在执行，joinable代表的是一个正在执行中的线程
• join()该函数调用后会阻塞住线程，当该线程结束后，主线程继续执行
• detach()在创建线程对象后马上调用，用于把被创建线程和线程对象分离，分离的线程变为后台线程，创建的线程”死活“与主线程无关
• 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。
• 3.当创建一个线程对象后，并且给线程关联线程函数，该线程就启动，与主线程一起运行。线程函数一般可按照以下三种方式提供：
• 函数指针
• lambda表达式
• 函数对象

  #include
  using namespace std;
  #include
   
  void ThreadFunc(int a)
  {
    
  }
   
   
  class TF
  {
      public:
              void operator()()
              {
                  cout<<"thread3"<
              }
  };
   
  int main()
  {
      thread t1(ThreadFunc,10); //线程函数为函数指针
      thread t2([]{cout<<"thread t2"<; //线程函数为lambda表达式
      TF tf;
      thread t3(tf); //线程函数为函数对象
      t1.join(); 
      ...
  }
  

  • 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。
  • 可以通过joinable()函数判断线程是否是有效的，如果是以下情况，则线程无效
  • 可以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join或者detach结束

2.并发和并行的区别

并发（concurrent）：一个cpu处理器处理多个线程任务（宏观上是同时处理多个任务，微观上是cpu在多个线程之间快速的交替执行cpu把运行时间划分称若干个微小的时间段，公平的分配给各个线程执行，在一个时间段的线程运行时，其他线程处于挂起状态，这种称为并发。

并行（parallel）：并行是多个cpu处理器处理多个线程任务（当一个cpu执行一个线程时，另一个cpu可以执行另一个线程，两个线程互不抢占cpu资源，可以同时进行，这就称为并行）

3.线程函数参数

线程函数的参数也是以值拷贝的方式拷贝到线程栈空间中的，因此，即使参数为引用类型，在线程中修改后也不能修改外部实参，因为其实引用的是线程栈中的拷贝，而不是外部实参。

4.原子性操作库

原子操作：使得线程间数据的同步变得高效。

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访问，更为普遍的，可以使用atomic类模板，定义出所需的任意原子类型。

#include
 
atomic t; //声明一个类型为T的原子类型变量t

注: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，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，operator=等。为了防止意外，标准库已经对这些进行了删除

#include
#include
#include
 
using namespace std;
 
 
atomic_long sum{0};
void fun(size_t num)
{
    for(size_t i = 0; i
        sum++; //原子操作
}
 
 
int main()
{
 
    thread t1(fun,10000);
    thread t2(fun,10000);
    //....
}
 

在多线程环境下，如果想要保证某个变量的安全性，只要将其设置为对应的原子类型即可，即高效又不容易死锁，但是有些情况下，我们需要保证一段代码的安全性，就只能通过锁的方式进行控制。但是锁控制不好的时候，可能会造成死锁，最常见的比如锁中间代码返回，或者在锁的范围内抛异常。因此,c++11采用RAII方式对锁进行封装，即lock_guard和unique_lock

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，也不能移动，mutex最常用的三个函数：

• lock()上锁：锁住互斥量
• unlock() 解锁：释放对互斥量的所有权
• try_lock() 尝试锁住互斥量，如果互斥量被其他线程占有，则当前线程也不会被阻塞

2.std::recursive_mutex

3.lock_guard

4.unique_lock

与lock_guard类似，unique_lock类模板也是采用RAII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unqie_lock的对象时，自动调用构造上锁，unique_lock对象销毁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更加灵活，提供了更多成员函数：

• 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)。

5.支持两个线程交替打印，一个打印奇数，一个打印偶数

使用条件变量来实现。这里有两个问题：1.如何保证某个线程先运行  2.如何保证交替打印

1.如何保证某个线程先运行

线程的运行顺序是由调度器决定的，不一定谁先创建谁就先运行，所以需要一把锁，谁先抢占了锁，谁就可以先运行，另外一个线程阻塞。如果t1先抢到锁，t1先运行，t2阻塞。 如果t2抢到了锁，t2先运行， 但是这里可以加一个wait进行阻塞，wait阻塞时候会自动解锁，保证了t1先运行。

2.如何保证两个线程进交替运行

假设t1先获取到了锁，t2阻塞在锁上，t1打印奇数，++x变成偶数，notify t2，但是没有线程wait,又抢占到了锁，继续++x，这个时候就有问题。直到出了作用域解锁，t2获取到锁。

所以这里使用一个判断， 如果在t1抢到锁之后，判断当前是偶数，那么就wait,并且notify t2,解锁通知t2开始运行。 t2抢到锁之后，++x,notify t1,如果再次抢到锁，判断当前是奇数，那么wait并且解锁，通知t1开始运行。

int main()
{
   mutex mtx ; //只有一把锁
   condition_variable cv;
   int n = 100;
   int x = 1;
 
    thread t1([&,n]()
    {
        
        while(1)
       {
           unique_lock lock(mtx);
           if(x>100)
                break;
           if(x%2 == 0) //阻塞
                cv.wait(lock);
            ++x; 
        
            cv.notift_one();
        }
    });
 
    thread t2([&,n]()
    {
        while(1)    
        {
            unique_lock lock(mtx); 
            if(x>100)
                break;
            if(x%2 != 0) 
                cv.wait(lock);
            ++x;
            cv.notify_one();
        }
    });
 
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}