白骑士的C++教学高级篇 3.2 多线程与并发

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随着计算机硬件的发展，现代计算机通常配备了多核处理器，为并发编程提供了硬件基础。C++11引入了一组强大的多线程库，使得开发多线程应用程序变得更加容易和安全。本篇内容将详细介绍C++11的多线程基础、线程管理和同步机制（互斥量与条件变量），帮助掌握C++中的多线程编程技术。

C++11多线程基础

C++11标准库引入了多线程支持，提供了 'std::thread' 类用于创建和管理线程。使用 'std::thread' 类可以轻松地创建新线程并在其中执行代码。

创建线程

创建线程最基本的方式是将一个函数传递给 'std::thread' 构造函数。下面是一个简单的示例，演示了如何创建和启动一个线程：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <thread>


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


int main() {
    std::thread t(printMessage);

    // 等待线程完成
    t.join();

    return 0;
}

在这段代码中，我们定义了一个名为 'printMessage' 的函数，并将其传递给 'std::thread' 构造函数来创建线程。使用 't.join()' 方法等待线程完成执行。

传递参数

可以通过构造函数将参数传递给线程函数，例如：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <thread>


void printMessage(const std::string& message) {
    std::cout << message << std::endl;
}


int main() {
    std::string msg = "Hello from thread with parameters!";
    std::thread t(printMessage, msg);

    t.join();

    return 0;
}

在这段代码中，我们将一个字符串参数传递给 'printMessage' 函数，并在线程中打印该消息。

线程管理

线程管理包括线程的创建、同步和销毁。C++11标准库提供了多种工具来帮助管理线程。

分离线程

可以使用 'detach()' 方法将线程与主线程分离，允许线程在后台运行，例如：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <thread>


void backgroundTask() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    std::cout << "Background task completed." << std::endl;
}


int main() {
    std::thread t(backgroundTask);

    t.detach();

    std::cout << "Main thread continues to run..." << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));

    return 0;
}

在这段代码中，我们使用 'detach()' 方法分离线程，使其在后台运行，而主线程继续执行。

线程同步

线程同步是确保多个线程安全地访问共享资源的关键。C++11提供了多种同步机制，如互斥量（mutex）和条件变量（condition variable）。

互斥量与条件变量

互斥量和条件变量是同步多个线程访问共享资源的基本工具。

互斥量

互斥量（mutex）用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问资源。C++11提供了 'std::mutex' 类来实现互斥量。

cpp 复制代码

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


std::mutex mtx;


void printNumbers(int start, int end) {
    std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx);

    for (int i = start; i <= end; ++i) {
        std::cout << i << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}


int main() {
    std::thread t1(printNumbers, 1, 5);
    std::thread t2(printNumbers, 6, 10);

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

    return 0;
}

在这段代码中，我们使用 'std::mutex' 保护共享资源，并使用 'std::lock_guard' 自动管理互斥量的锁定和解锁。

条件变量

条件变量（condition variable）用于在线程之间同步事件。C++11提供了 'std::condition_variable' 类来实现条件变量，例如：

cpp 复制代码

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


std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;


bool ready = false;


void printNumbers(int id) {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);

    cv.wait(lock, [] { return ready; });

    std::cout << "Thread " << id << " is running." << std::endl;
}


void setReady() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);

    ready = true;

    cv.notify_all();
}


int main() {
    std::thread t1(printNumbers, 1);
    std::thread t2(printNumbers, 2);
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

    setReady();

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

    return 0;
}

在这段代码中，我们使用 'std::condition_variable' 在线程之间同步事件。'cv.wait(lock, \[\] { return ready; })' 用于等待条件满足，而 'cv.notify_all()' 用于通知所有等待线程条件已满足。

总结

多线程与并发是C++编程中的重要概念，通过合理使用多线程技术，可以显著提高程序的性能和响应速度。C++11引入了一组强大的多线程库，使得多线程编程变得更加容易和安全。本篇内容详细介绍了C++11多线程基础、线程管理以及同步机制（互斥量与条件变量），希望通过这些内容，你能更好地掌握C++多线程编程技术，为编写高效、可靠的并发程序打下坚实的基础。

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