C++多线程入门-开发者社区

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《C++20高级编程》《C++23高级编程》等多本书籍著译者
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C++11 多线程相关的知识点

本文目录：

如何创建线程
如何加锁
如何使用原子操作
如何使用条件变量
如何优雅的执行异步任务

如何创建线程

C++11之前你可能使用pthread_xxx来创建线程，繁琐且不易读，C++11引入了std::thread来创建线程，支持对线程join或者detach。直接看代码：

#include<iostream>#include<thread>usingnamespacestd;intmain(){autofunc=[](){for(inti=0;i<10;++i){cout<<i<<" ";}cout<<endl;};std::threadt(func);if(t.joinable()){t.detach();}autofunc1=[](intk){for(inti=0;i<k;++i){cout<<i<<" ";}cout<<endl;};std::threadtt(func1,20);if(tt.joinable()){// 检查线程可否被jointt.join();}return0;}

上述代码中，函数func和func1运行在线程对象t和tt中，从刚创建对象开始就会新建一个线程用于执行函数，调用join函数将会阻塞主线程，直到线程函数执行结束，线程函数的返回值将会被忽略。如果不希望线程被阻塞执行，可以调用线程对象的detach函数，表示将线程和线程对象分离，新的线程与主线程没有任何关联，线程资源在任务结束后会由操作系统自动回收。

如果没有调用join或者detach函数，假如线程函数执行时间较长，此时线程对象的生命周期结束调用析构函数清理资源，这时可能会发生crash，这里有两种解决办法，一个是调用join()，保证线程函数的生命周期和线程对象的生命周期相同，另一个是调用detach()，将线程和线程对象分离，这里需要注意，如果线程已经和对象分离，那我们就再也无法控制线程什么时候结束了，不能再通过join来等待线程执行完。

C++11还提供了获取线程id，或者系统cpu个数，获取thread native_handle，让线程休眠等功能：

std::threadt(func);cout<<"当前线程ID "<<t.get_id()<<endl;cout<<"当前cpu个数 "<<std::thread::hardware_concurrency()<<endl;autohandle=t.native_handle();// handle可用于pthread相关操作std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

如何加锁

在C++11中，加锁可以使用std::mutex，mutex主要有四种：

std::mutex：独占的互斥量，不能递归使用，不带超时功能
std::recursive_mutex：递归互斥量，可重入，不带超时功能
std::timed_mutex：带超时的互斥量，不能递归
std::recursive_timed_mutex：带超时的互斥量，可以递归使用

最常用的就是std::mutex，其它三种我也没用过：

std::mutex mutex_;intmain(){autofunc1=[](intk){mutex_.lock();for(inti=0;i<k;++i){cout<<i<<" ";}cout<<endl;mutex_.unlock();};std::thread threads[5];for(inti=0;i<5;++i){threads[i]=std::thread(func1,200);}for(auto&th:threads){th.join();}return0;}

mutex还可以搭配RAII方式的锁封装类一起使用，可以动态的释放锁资源，防止线程由于编码失误导致始终持有锁。C++11主要有std::lock_guard和std::unique_lock两种RAII方式，使用方式类似：

autofunc1=[](intk){// std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);std::unique_lock<std::mutex>lock(mutex_);for(inti=0;i<k;++i){cout<<i<<" ";}cout<<endl;};

std::lock_guard相比于std::unique_lock更加轻量级，少了一些成员函数，std::unique_lock类有unlock函数，可以手动释放锁，所以条件变量都配合std::unique_lock使用，而不是std::lock_guard，因为条件变量在wait时需要有手动释放锁的能力，具体关于条件变量后面会讲到。

如何使用原子操作

C++11提供了原子类型std::atomic，理论上这个T可以是任意类型，但是我平时只存放整型，别的还真的没用过，整型有这种原子变量已经足够方便，就不需要使用std::mutex来保护该变量啦。

看一个带锁计数器的代码：

structOriginCounter{// 普通的计数器intcount;std::mutex mutex_;voidadd(){std::lock_guard<std::mutex>lock(mutex_);++count;}voidsub(){std::lock_guard<std::mutex>lock(mutex_);--count;}intget(){std::lock_guard<std::mutex>lock(mutex_);returncount;}};

而用原子变量就方便的多：

structNewCounter{// 使用原子变量的计数器std::atomic<int>count;voidadd(){++count;}voidsub(){--count;}intget(){returncount.load();}};

如何使用条件变量

条件变量是C++11引入的一种同步机制，它可以阻塞一个线程或者个线程，直到有线程通知或者超时才会唤醒正在阻塞的线程，条件变量需要和锁配合使用，这里的锁就是上面介绍的std::unique_lock。这里使用条件变量实现一个CountDownLatch：

classCountDownLatch{public:explicitCountDownLatch(uint32_tcount):count_(count);voidCountDown(){std::unique_lock<std::mutex>lock(mutex_);--count_;if(count_==0){cv_.notify_all();}}voidAwait(uint32_ttime_ms=0){std::unique_lock<std::mutex>lock(mutex_);while(count_>0){if(time_ms>0){cv_.wait_for(lock,std::chrono::milliseconds(time_ms));}else{cv_.wait(lock);}}}uint32_tGetCount()const{std::unique_lock<std::mutex>lock(mutex_);returncount_;}private:std::condition_variable cv_;mutablestd::mutex mutex_;uint32_tcount_=0;};

关于条件变量其实还涉及到通知丢失和虚假唤醒问题，可以看这篇文章：通知丢失和虚假唤醒。

如何优雅的执行异步任务

你可能已经猜到了，我要介绍的就是async，关于异步操作可以优先使用async，看这段代码：

#include<functional>#include<future>#include<iostream>#include<thread>usingnamespacestd;intfunc(intin){returnin+1;}intmain(){autores=std::async(func,5);// res.wait();cout<<res.get()<<endl;// 阻塞直到函数返回return0;}

使用async异步执行函数是不是方便多啦。async具体语法如下：

async(std::launch::async|std::launch::deferred,func,args...);

第一个参数是创建策略：std::launch::async表示任务执行在另一线程，std::launch::deferred表示延迟执行任务，调用get或者wait时才会执行，不会创建线程，惰性执行在当前线程。如果不明确指定创建策略，以上两个都不是async的默认策略，而是未定义，它是一个基于任务的程序设计，内部有一个