C++ 多线程库 `<thread>`

C++11 引入了多线程支持，通过 <thread> 库，开发者可以轻松地在程序中实现并行处理。

本文将将介绍 <thread> 库的基本概念、定义、语法以及如何使用它来创建和管理线程。

线程是程序执行的最小单元，是操作系统能够进行运算调度的最小单位。

在多线程程序中，多个线程可以并行执行，提高程序的执行效率。

C++ `<thread>` 库概述

<thread> 库是 C++ 标准库的一部分，提供了创建和管理线程的基本功能，它包括以下几个关键组件：

std::thread：表示一个线程，可以创建、启动、等待和销毁线程。
std::this_thread：提供了一些静态成员函数，用于操作当前线程。
std::thread::id：线程的唯一标识符。

创建线程

要创建一个线程，你需要实例化 std::thread 类，并传递一个可调用对象（函数、lambda 表达式或对象的成员函数）作为参数。

实例

#include <iostream>
#include <thread>

void print_id(int id) {
std::cout << "ID: " << id << ", Thread ID: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
}

int main() {
std::thread t1(print_id, 1);
std::thread t2(print_id, 2);
}

启动线程

创建 std::thread 对象后，线程会立即开始执行，你可以调用 join() 方法来等待线程完成。

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

等待线程完成

join() 方法会阻塞当前线程，直到被调用的线程完成执行。

销毁线程

当线程执行完毕后，你可以使用 detach() 方法来分离线程，或者让 std::thread 对象超出作用域自动销毁。

t1.detach(); // 线程将继续运行，但无法再被 join 或 detach

实例：使用 `<thread>` 创建并行计算

下面是一个使用 <thread> 库实现的并行计算实例，计算两个数的和。

实例

#include <iostream>
#include <thread>

int sum = 0;

void add(int a, int b) {
sum += a + b;
}

int main() {
int a = 5;
int b = 10;

std::thread t1(add, a, b);
std::thread t2(add, a, b);

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

std::cout << "Sum: " << sum << std::endl; // 输出结果：Sum: 30
}

输出结果为：

Sum: 30

以下实例我们将创建两个线程，每个线程都会执行一个简单的函数，该函数打印一个消息并休眠一段时间：

实例

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>

// 简单的函数，在线程中执行
void print_message(const std::string& message, int delay) {
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(delay));
std::cout << message << std::endl;
}

int main() {
// 创建两个线程，执行 print_message 函数
std::thread t1(print_message, "Hello from thread 1", 1000);
std::thread t2(print_message, "Hello from thread 2", 500);

// 等待线程 t1 完成
if (t1.joinable()) {
t1.join();
}

// 等待线程 t2 完成
if (t2.joinable()) {
t2.join();
}

std::cout << "Main thread finished." << std::endl;

return 0;
}

输出结果为：

Hello from thread 2
Hello from thread 1
Main thread finished.

注意事项

线程安全：在多线程环境中，共享资源需要同步访问，以避免数据竞争。
线程生命周期：确保在线程执行完毕后正确地处理线程对象，避免资源泄露。

类和函数

<thread> 库包含了一系列的类和函数，用于创建、管理和同步线程。

以下是对 C++ <thread> 库的详细介绍:

主要组件

std::thread
std::mutex
std::lock_guard
std::unique_lock
std::condition_variable
std::future 和 std::promise
std::async

std::thread

std::thread 类用于创建和管理线程。

实例

#include <iostream>
#include <thread>

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

int main() {
std::thread t(print_hello);
t.join(); // 等待线程 t 结束
return 0;
}

重要方法

join(): 等待线程结束。
detach(): 将线程置于后台运行，不再等待线程结束。
joinable(): 检查线程是否可被 join 或 detach。

std::mutex

std::mutex 类用于同步对共享资源的访问。

实例

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

std::mutex mtx; // 创建一个全局 mutex 对象
int shared_resource = 0; // 共享资源

// 线程函数
void increment() {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 上锁，保证线程安全
++shared_resource;
std::cout << "Incremented shared_resource to " << shared_resource << std::endl;
// lock 在 lock_guard 离开作用域时自动释放
}

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

t1.join(); // 等待线程 t1 完成
t2.join(); // 等待线程 t2 完成

std::cout << "Final value of shared_resource: " << shared_resource << std::endl;

return 0;
}

std::lock_guard

std::lock_guard 是一个 RAII 风格的锁管理器，用于自动管理锁的生命周期。

实例

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

std::mutex mtx;

void print_thread_id(int id) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
std::cout << "Thread ID: " << id << std::endl;
}

int main() {
std::thread t1(print_thread_id, 1);
std::thread t2(print_thread_id, 2);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}

std::unique_lock

std::unique_lock 提供了比 std::lock_guard 更灵活的锁管理。

实例

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

std::mutex mtx;

void print_thread_id(int id) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
std::cout << "Thread ID: " << id << std::endl;
lock.unlock(); // 可以手动解锁
// ... 其他操作
}

int main() {
std::thread t1(print_thread_id, 1);
std::thread t2(print_thread_id, 2);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}

std::condition_variable

std::condition_variable 用于线程间的等待和通知。

实例

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

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

void print_id(int id) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, []{ return ready; });
std::cout << "Thread ID: " << id << std::endl;
}

void set_ready() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
ready = true;
cv.notify_all();
}

int main() {
std::thread t1(print_id, 1);
std::thread t2(print_id, 2);

std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
set_ready();

t1.join();
t2.join();
return 0;
}

std::future 和 std::promise

std::future 和 std::promise 用于线程间的结果传递。

实例

#include <iostream>
#include <thread>
#include <future>

void calculate_square(std::promise<int> && p, int x) {
p.set_value(x * x);
}

int main() {
std::promise<int> p;
std::future<int> f = p.get_future();

std::thread t(calculate_square, std::move(p), 5);

std::cout << "Square: " << f.get() << std::endl;

t.join();
return 0;
}

std::async

std::async 用于启动异步任务，并返回一个 std::future。

实例

#include <iostream>
#include <future>

int calculate_square(int x) {
return x * x;
}

int main() {
std::future<int> result = std::async(calculate_square, 5);

std::cout << "Square: " << result.get() << std::endl;

return 0;
}

C++ 的 <thread> 库为开发者提供了强大的多线程支持。通过本文的介绍，我们应该能够理解线程的基本概念，并学会如何使用 <thread> 库来创建和管理线程。在实际开发中，合理利用多线程可以显著提高程序的性能和响应速度。

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