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 <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 <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 <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 <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 <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 <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 <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 <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 <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 <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。
点我分享笔记