引言
随着多核处理器的普及,利用多线程编程来提升应用程序性能变得越来越重要。C++11 标准库引入了一系列用于多线程编程的API,使得多线程编程变得更加简洁和高效。
一、基本概念
在开始编写多线程代码之前,了解一些基本概念是非常重要的:
- 线程:线程是操作系统能够调度的最小执行单元。一个进程可以包含多个线程,这些线程共享进程的资源,但可以独立执行。
- 并行和并发:并行是指多个线程同时执行,而并发是指多个线程在同一时间段内交替执行。
二、创建和管理线程
C++11标准库提供了std::thread
类来创建和管理线程。我们可以通过以下几种方式创建线程:
1. 创建线程
(1)使用函数指针
cpp
#include <iostream>
#include <thread>
void threadFunction() {
std::cout << "Hello from thread!\n";
}
int main() {
std::thread t(threadFunction);
t.join(); // 等待线程t完成
return 0;
}
(2)使用lambda表达式
cpp
#include <iostream>
#include <thread>
int main() {
std::thread t([]{
std::cout << "Hello from lambda thread!\n";
});
t.join();
return 0;
}
(3)使用成员函数
cpp
#include <iostream>
#include <thread>
class MyClass {
public:
void memberFunction() {
std::cout << "Hello from member function thread!\n";
}
};
int main() {
MyClass obj;
std::thread t(&MyClass::memberFunction, &obj);
t.join();
return 0;
}
2. 线程同步
在多线程编程中,同步是一个关键问题,C++11 提供了多种同步机制,包括互斥量(std::mutex
)、锁(std::lock_guard
和 std::unique_lock
)、条件变量(std::condition_variable
)等。
(1)互斥量
互斥量用于保护共享数据,防止数据竞争。
cpp
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx;
void printMessage(const std::string& msg) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
std::cout << msg << std::endl;
}
int main() {
std::thread t1(printMessage, "Hello from thread 1");
std::thread t2(printMessage, "Hello from thread 2");
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
(2)条件变量
条件变量用于线程间的通知机制。
cpp
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;
void printMessage() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, []{ return ready; });
std::cout << "Thread is running!\n";
}
int main() {
std::thread t(printMessage);
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
ready = true;
}
cv.notify_one();
t.join();
return 0;
}
3. 线程局部存储
C++11 提供了 thread_local
关键字,用于定义线程局部变量。
cpp
#include <iostream>
#include <thread>
thread_local int threadId = 0;
void printThreadId(int id) {
threadId = id;
std::cout << "Thread ID: " << threadId << std::endl;
}
int main() {
std::thread t1(printThreadId, 1);
std::thread t2(printThreadId, 2);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
4. 其他API
(1)std::async 和 std::future
std::async
用于异步执行任务,并返回一个 std::future
对象,用于获取异步任务的结果。
cpp
#include <iostream>
#include <future>
int asyncFunction() {
return 42;
}
int main() {
std::future<int> result = std::async(std::launch::async, asyncFunction);
std::cout << "Async result: " << result.get() << std::endl;
return 0;
}
(2)std::packaged_task
std::packaged_task
也用于异步执行任务,但它允许将任务包装成一个可调用对象,并与 std::future
关联。
cpp
#include <iostream>
#include <future>
int taskFunction() {
return 42;
}
int main() {
std::packaged_task<int()> task(taskFunction);
std::future<int> result = task.get_future();
std::thread(std::move(task)).detach();
std::cout << "Task result: " << result.get() << std::endl;
return 0;
}
三、总结
C++11 标准库提供了一套强大而简洁的多线程编程API,极大地简化了多线程编程的复杂性。通过 std::thread
类,我们可以方便地创建和管理线程;通过互斥量和条件变量等同步机制,我们可以有效地避免数据竞争;通过 std::async
和 std::future
等工具,我们可以轻松地实现异步编程。这些工具不仅适用于Windows环境,也适用于其他平台,使得我们的代码具有良好的可移植性。