简单聊聊C++中线程的原理与实现

在C++中有多种实现线程的方式

• C++11提供的标准多线程方式；
• 第三方库（如：Boost.Thread）；
• 操作系统提供的多线程（如：Windows 线程 与 POSIX 线程（pthread））。

我们这里先了解的就是C++11提供的标准多线程方式。因为它提供了良好的跨平台兼容性和简洁的语法，已经满足大多数需求。

从最简单的开始

C++11 引入了多线程支持，提供了一套基本的线程库，包括线程、互斥量（mutex）、条件变量（condition_variable）等。这些组件可以帮助你在 C++ 程序中实现并发和多线程编程。下面是一些基本概念和示例：

1.std::thread：

std::thread 是 C++11 中的线程类，用于创建和管理线程。您可以将一个函数作为参数传递给 std::thread 的构造函数，该函数将在新线程中执行。

#include <iostream>
#include <thread>

void hello() {
    std::cout << "Hello from thread!" << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t(hello); // 创建一个新线程，执行 hello 函数
    t.join(); // 等待线程结束
    return 0;
}

2.std::mutex：

std::mutex 是互斥量类，用于保护共享资源的访问。当多个线程需要访问共享资源时，使用互斥量可以确保每次只有一个线程访问资源，从而避免数据竞争和其他并发问题。

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>

std::mutex mtx; // 互斥量

void print_block(int n, char c) {
    mtx.lock(); // 锁定互斥量
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        std::cout << c;
    }
    std::cout << std::endl;
    mtx.unlock(); // 解锁互斥量
}

int main() {
    std::thread t1(print_block, 50, '*');
    std::thread t2(print_block, 50, '$');
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

3.std::lock_guard：

std::lock_guard 是一个 RAII（Resource Acquisition Is Initialization）包装类，用于自动管理互斥量的锁定和解锁。当创建 std::lock_guard 对象时，它将自动锁定互斥量，当对象销毁时，它将自动解锁互斥量。

void print_block(int n, char c) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 自动锁定互斥量
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        std::cout << c;
    }
    std::cout << std::endl;
    // 自动解锁互斥量（lock_guard 对象销毁时）
}

4.std::condition_variable：

std::condition_variable 是一个条件变量类，用于在线程之间同步操作。它可以与 std::mutex 配合使用，实现线程间的等待和通知机制。

#include <iostream>
#include <condition_variable>
#include <mutex>
#include <thread>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void print_id(int id) {
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx); 
    cv.wait(lck, [] { return ready; }); // 等待 ready 变为 true 
    std::cout << "thread " << id << std::endl; 
} 

void go() { 
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    ready = true; 
    cv.notify_all();// 通知所有等待的线程 
}

int main() {
    std::thread threads[10];
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threads[i] = std::thread(print_id, i); // 启动 10 个线程 
    }
    
    go(); // 通知所有线程开始执行

    for (auto& th : threads) {
        th.join(); 
    }
    return 0;
}

在这个示例中，我们创建了 10 个线程，每个线程在启动后等待一个条件变量。主线程通过调用 go 函数将条件变量的状态设置为 true 并通知所有等待的线程，使它们开始执行。

5.std::future 和 std::async：

std::future 和 std::async 是 C++11 提供的用于异步操作的类。std::async 可以异步地执行一个函数，并返回一个 std::future 对象，该对象表示该函数的返回值。您可以通过调用 std::future::get() 来等待函数执行完成并获取其返回值。

#include <iostream>
#include <future>

int sum(int a, int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    std::future<int> result = std::async(sum, 10, 20); // 异步执行 sum 函数
    int value = result.get(); // 等待执行完成并获取返回值
    std::cout << "The result is: " << value << std::endl;
    return 0;
}

这个简单的示例展示了如何使用 std::async 异步地执行一个求和函数，然后通过std::future 获取其结果。

C++11 的多线程支持功能使得在 C++ 中实现并发编程变得更加简单。通过这些基本组件，您可以根据需要构建更复杂的并发程序。

C++11的线程只有这么简单吗？

是也不是。C++11 中的多线程库确实相对简单，但这只是表面现象。实际上，它们为复杂的多线程程序提供了基础。前面已经介绍了一些基本的多线程组件，例如 std::thread、std::mutex、std::condition_variable、std::future 和 std::async。但是，还有一些其他的组件和技巧可能会对你有帮助：

1.std::atomic：

C++11 引入了原子类型（std::atomic），用于实现原子操作，即在多线程环境中不会被中断的操作。原子类型在多线程中特别有用，因为它们可以避免数据竞争和其他并发问题。

示例：

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

std::atomic<int> counter(0);

void increase_counter() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        ++counter;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increase_counter);
    std::thread t2(increase_counter);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Counter: " << counter << std::endl;
    return 0;
}

2.std::call_once：

std::call_once 是一个用于确保在多线程环境中某个函数只被调用一次的工具。它需要一个 std::once_flag 变量作为参数，该变量用于跟踪函数是否已被调用。

示例：

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>

std::once_flag flag;

void do_something() {
    std::cout << "Called once" << std::endl;
}

void call_do_something() {
    std::call_once(flag, do_something);
}

int main() {
    std::thread t1(call_do_something);
    std::thread t2(call_do_something);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

3.线程局部存储：

C++11 支持线程局部存储，即每个线程拥有自己的变量副本。使用 thread_local 关键字可以定义一个线程局部变量。这对于某些需要每个线程拥有独立状态的应用场景非常有用。

示例：

#include <iostream>
#include <thread>

thread_local int counter = 0;

void increase_counter() {
    ++counter;
    std::cout << "Counter: " << counter << " in thread " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(increase_counter);
    std::thread t2(increase_counter);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

以上是 C++11 多线程库中的一些其他组件和技巧。虽然这些组件相对简单，但它们为实现复杂的多线程应用提供了基础。掌握这些基本概念后，你可以根据自己的需求组合这些组件以实现更高级的功能。以下是一些可能对你有帮助的高级用法：

线程池

线程池是一种允许您在一组线程中重用线程以执行任务的技术。这可以减少线程创建和销毁的开销，从而提高性能。C++11 没有提供内置的线程池功能，但您可以使用基本的多线程组件自己实现一个，或者使用第三方库（例如 Boost.Asio）。

并行算法

C++17 标准引入了并行算法库，它提供了一些与 STL 算法类似的并行版本，以支持多线程并行执行。这使得实现并行计算变得更加简单。例如，您可以使用 std::sort 的并行版本 std::execution::par 对大数据集进行排序。

示例：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <execution>
#include <random>

int main() {
    std::vector<int> data(100000);
    std::random_device rd;
    std::mt19937 gen(rd());

    std::generate(data.begin(), data.end(), [&]() { return gen() % 1000; });

    std::sort(std::execution::par, data.begin(), data.end());

    // 现在 data 已经被排序
    return 0;
}

lock_guard 和 scoped_lock：

std::lock_guard 是一个简化互斥锁管理的 RAII 封装。当您创建一个 lock_guard 对象时，它将自动锁定给定的互斥锁，并在销毁时自动解锁。这有助于避免死锁和忘记解锁。

std::scoped_lock 是 C++17 引入的一个改进版的 lock_guard，用于同时锁定多个互斥锁，避免死锁。

std::shared_mutex 和 std::shared_lock：

std::shared_mutex 是一种特殊类型的互斥锁，允许多个线程同时以共享模式访问资源。std::shared_lock 是与 std::shared_mutex 配合使用的锁对象，允许您在共享模式或独占模式下锁定资源。

以上是 C++11 多线程库的一些高级用法。熟练掌握这些组件和技巧可以帮助您实现更加高效、可扩展和健壮的多线程应用。

大体其实就这些，另外在设计时还需要注意的是：

避免死锁：

在多线程编程中，死锁是一个常见的问题，它发生在两个或多个线程相互等待对方释放资源时。为了避免死锁，请确保使用锁的顺序一致，避免嵌套锁，并尽量减少锁的使用范围。

数据竞争与内存模型：

在多线程环境中，数据竞争是一个潜在的问题。当多个线程同时访问共享数据且至少有一个线程对数据进行修改时，就会发生数据竞争。避免数据竞争的方法包括使用互斥锁、原子操作或者线程局部存储。

此外，C++11 引入了内存模型，用于描述多线程中的内存访问行为。内存模型包括原子操作的内存顺序，例如 std::memory_order_relaxed、std::memory_order_acquire 和 std::memory_order_release。在大多数情况下，默认的内存顺序已经足够使用，但在某些高级应用场景下，理解和使用内存模型可以帮助您实现更高效的代码。

性能与可伸缩性：

在编写多线程程序时，需要权衡性能和可伸缩性。线程之间的通信和同步会导致性能损失，因此您需要在使用更多线程以提高并发性能时，尽量减少同步和通信的开销。

异常安全：

在多线程环境中，处理异常尤为重要。在一个线程中发生异常时，其他线程可能仍在继续执行。确保在多线程中正确处理异常，例如使用 try-catch 块捕获异常，并确保锁和资源在异常发生时得到正确的释放。

第三方库和框架：

除了 C++ 标准库提供的多线程支持外，还有一些第三方库和框架提供了更高级或特定领域的多线程功能。例如，Boost.Thread 库提供了类似于 C++11 多线程库的功能，但在某些方面更为强大。Intel 的 Threading Building Blocks (TBB) 是另一个广泛使用的并行编程库。

P.S. 再来点与之无关紧要的小知识

join()既然是等待子线程完成，为什么不叫wait_thread()之类的? 而且join本身的单词是加入，有点感觉格格不入。

因为在多线程编程中，join 方法的命名来源于它的作用：将一个子线程加入（join）到主线程或其他线程，等待这个子线程完成。这种“加入”的概念实际上是指当前线程（通常是主线程）等待另一个线程（子线程）完成它的任务。在子线程完成任务之前，当前线程会阻塞等待。因此，join 这个名字来源于将子线程与等待它的线程连接在一起的过程。简单来说，当在疯狂星期四这天的公司楼下KFC里，在你排队买快乐时，有你的领导插队(join进来)，你必须等它完成的，所以这也就是等待的本意。

wait()

std::condition_variable::wait() 是一个成员函数，用于阻塞当前线程，直到条件变量被通知。wait() 函数通常与 std::unique_lock<std::mutex> 和 std::mutex 配合使用，以便在等待期间自动解锁互斥量。可以传递一个谓词函数给 wait()，以便在条件变量被通知后检查是否满足继续执行的条件。

notify_all()与notify_one

std::condition_variable::notify_all() 是一个成员函数，用于唤醒所有等待当前条件变量的线程。当某个条件满足时，可以调用 notify_all() 通知所有等待的线程继续执行。这是一种线程之间协作的方式。

std::condition_variable::notify_one() 也是一个成员函数，用于唤醒一个正在等待该条件变量的线程。与之相对的，notify_all 是唤醒所有正在等待该条件变量的线程。在某些情况下，您可能只需要唤醒一个等待的线程，而不是所有线程，这时候就可以使用 notify_one。

再聊聊第三方库（如：Boost.Thread）方式

#include <iostream>
#include <boost/thread.hpp>

void print_hello() {
    std::cout << "Hello from thread!" << std::endl;
}

int main() {
    boost::thread thread(print_hello);
    thread.join();

    std::cout << "Hello from main!" << std::endl;
    return 0;
}

最后的战役：操作系统方式

1.POSIX 线程（pthread）：

POSIX 线程是基于 POSIX 标准的一种多线程实现，它在类 Unix 系统（如 Linux、macOS）中广泛使用。pthread 库提供了用于创建线程、同步、互斥锁等多线程功能的函数。然而，由于它是用 C 语言编写的，所以在 C++ 中使用时可能不够直观。以下是一个简单的使用 POSIX 线程的例子：

#include <iostream>
#include <pthread.h>

void* print_hello(void* arg) {
    std::cout << "Hello from thread!" << std::endl;
    return nullptr;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, nullptr, print_hello, nullptr);
    pthread_join(thread, nullptr);

    std::cout << "Hello from main!" << std::endl;
    return 0;
}

2.Windows 线程：

在 Windows 操作系统中，可以通过 Windows API 来创建和管理线程。Windows API 提供了一组用于线程管理、同步和互斥的函数。以下是一个简单的使用 Windows 线程的例子：

#include <iostream>
#include <windows.h>

DWORD WINAPI print_hello(LPVOID lpParam) {
    std::cout << "Hello from thread!" << std::endl;
    return 0;
}

int main() {
    HANDLE thread = CreateThread(nullptr, 0, print_hello, nullptr, 0, nullptr);
    WaitForSingleObject(thread, INFINITE);
    CloseHandle(thread);

    std::cout << "Hello from main!" << std::endl;
    return 0;
}

由于这不是我们的重点战场，简单了解一下就完事，当你必须使用它时这个文章就没必要看了。

到此这篇关于简单聊聊C++中线程的原理与实现的文章就介绍到这了,更多相关C++线程内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！