1.C++11前没有线程库问题
对于多线程操作,Linux选择使用POSIX标准,而windows没有选择POSIX标准,自己设计了一套API和系统调用,叫Win32 API,就跟Linux存在标准差异,在Linux的代码移植到Windows就可能运行不了。
要保证兼容性,就需要借助条件编译,实现两份代码,根据不同平台执行对应的代码。
// 确保平台兼容性
#ifdef WIN_32
CreateThread // Windows 中创建线程的接口
// ...
#else
pthread_create // Linux 中创建线程的接口
// ...
#endif
C++11后,加入了线程库标准,包含了线程,互斥锁,条件变量等常用线程操作,不用依赖第三方库,使用线程库编写的代码可以在不同环境下运行。
2.C++多线程
并发与并行概念

并发是指两个或者多个事件在同一时间间隔发生,并发是针对单核CPU提出的,在同一CPU上的多个事件。
并行是指多个事件在同一时间发生 ,是针对多核CPU提出的,在不同CPU上的多个事件。

线程库--thread
线程对象构造
1.默认构造函数
thread() noexcept;
创建了一个空的线程对象,不启动任何线程,不会抛出异常
2.模板构造函数
template <class Fn, class... Args>
explicit thread (Fn&& fn, Args&&... args);
Fn是一个可调用对象,可以是函数指针,函数对象或者lambda表达式
Args是传递给Fn的参数列表
explicit关键字表示这个构造函数显式的,防止隐式转换
移动构造函数
thread (thread&& x) noexcept;
用于移动一个线程对象,接收一个右值引用thread&& x,表示从另一个线程对象x窃取线程资源
无参构造
无参数构造出来线程对象,它不会关联任何线程函数,不会启动任何线程。
thread t1;
因为有移动赋值函数,所以创建空线程可以窃取传参匿名线程对象资源。
带可变参数的构造
三种形式创建线程执行任务
需要休眠函数,不然结果会混乱,因为式并发执行任务,往显示器(公共资源)写入信息。
cpp
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<mutex>
#include<Windows.h>
#include<thread>
#include<condition_variable>
using namespace std;
void func1(int start, int end)
{
for (int i = start; i <= end; i++)
{
cout << i << " ";
}
cout << endl;
}
struct My_class
{
void operator()(int start, int end)
{
for (int i = start; i <= end; i++)
{
cout << i << " ";
}
cout << endl;
}
};
int main()
{
//函数指针
thread t1(func1, 1, 10);
Sleep(1);
//仿函数(函数对象)
thread t2(My_class(), 10, 20);
Sleep(1);
//lambda表达式
thread t3([](const string& str) -> void {cout << str << endl; },"I am thread-3");
t1.join();
t2.join();
t3.join();
}
注意:thread类是禁止拷贝的,不允许拷贝构造和拷贝赋值,但是可以移动构造和移动赋值,可以将一个线程对象关联状态转移给其它线程对象。
这里传函数名字,实际是传函数指针类型,而thread构造函数有模板参数,虽然是&&但是只有传过去的类型也是&&的才会是右值引用,不然就是左值引用,引用折叠规定。
例:传递函数指针当你传递一个函数指针给
std::thread
的构造函数时,例如:cpp复制
void func() {} std::thread t(func);
func
是一个函数名,它是一个左值。根据引用折叠规则,
F&&
在这种情况下会折叠为F&
,因为func
是一个左值。因此,
func
作为左值被传递给std::thread
的构造函数,它被绑定到一个左值引用上。示例:传递函数对象
如果你传递一个函数对象或lambda表达式,例如:
cpp复制
std::thread t([]() { std::cout << "Hello" << std::endl; });
这里的lambda表达式是一个右值。
根据引用折叠规则,
F&&
在这种情况下会折叠为F&&
,因为lambda表达式是一个右值。因此,lambda表达式作为右值被完美转发到
std::thread
的构造函数。
3.thread类的成员函数
1.join
- 功能:等待一个线程完成。如果该线程还未执行完毕,则当前线程(一般是主线程)将被阻塞,直到该线程执行完成,主线程才会继续执行。
2.joinable
-
功能 :判断线程是否可以执行
join()
函数,返回true
或false
。 -
用法 :
if (t.joinable()) { t.join(); }
其中t
是std::thread
对象。
3.detach
-
功能 :将当前线程与创建的线程分离,使它们分别运行,当分离的线程执行完毕后,系统会自动回收其资源。如果一个线程被分离了,就不能再使用
join()
函数了,因为线程已经无法被联接了。 -
用法 :
t.detach();
其中t
是std::thread
对象。
4.get_id
-
功能 :获取该线程的
id
。 -
用法 :
std::thread::id t_id = t.get_id();
其中t
是std::thread
对象。
5.swap
-
功能:将两个线程对象关联线程的状态进行交换。
-
用法 :
t1.swap(t2);
其中t1
和t2
是std::thread
对象。
join和joinable
joinable函数可以用于判断线程是否有效。
线程无效:采用无参构造的线程对象;线程对象的状态已经转移给其它线程对象;线程调用join或者detach。
代码示例
cpp
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<mutex>
#include<Windows.h>
#include<thread>
#include<condition_variable>
using namespace std;
void Print()
{
cout << "Hello from thread" << endl;
}
int main()
{
thread t1(Print);
Sleep(1);
if (t1.joinable())
{
cout << "Thread is joinable" << endl;
}
t1.join();
if (t1.joinable())
{
cout << "Thread is joinable" << endl;
}
else
{
cout << "Thread isn't joinable" << endl;
}
return 0;
}
代码解释
上面代码,先创建线程执行,延时为了让打印执行完,然后用joinable函数判断线程是否结束,没有执行join函数就还是存在,join函数执行后,线程结束资源回收,再去判断线程的状态就是结束了。
代码示例
cpp
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<mutex>
#include<Windows.h>
#include<thread>
#include<condition_variable>
using namespace std;
void func()
{
for (int i = 0; i <= 5; i++)
{
cout << "线程执行中" << endl;
this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
}
cout << "线程结束" << endl;
}
int main()
{
thread t1(func);
t1.detach();
cout << "主线程继续执行" << endl;
this_thread::sleep_for(chrono::seconds(7));
cout << "主线程结束" << endl;
return 0;
}

代码解释
先执行线程函数,打印六次每次间隔1秒,因为执行了分离函数detach,所以主线程就会执行自己的代码,因为主线程结束了,线程也会跟着结束,所以主函数延时等待线程执行完才结束。
4.this_thread类
-
get_id
-
功能:获取当前线程的唯一标识符(ID)。
-
用法 :
std::thread::id id = std::this_thread::get_id();
-
说明:每个线程都有一个唯一的ID,这个ID可以用来识别和区分不同的线程。
-
-
sleep_for
-
功能:使当前线程休眠一个指定的时间段。
-
用法 :
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
-
说明:这个函数接受一个时间长度作为参数,单位可以是秒、毫秒等。线程会休眠指定的时间长度。
-
-
sleep_until
-
功能:使当前线程休眠直到指定的具体时间点。
-
用法 :
std::this_thread::sleep_until(std::chrono::system_clock::now() + std::chrono::seconds(5));
-
说明:这个函数接受一个时间点作为参数,线程会休眠直到达到这个时间点。
-
-
yield
-
功能:使当前线程"放弃"执行,让操作系统调度另一个线程继续执行。
-
用法 :
std::this_thread::yield();
-
说明:这个函数不会使线程休眠,而是让操作系统有机会调度其他线程。当前线程可能会在下一次调度时再次获得执行机会。
-
get_id与上面的thread类的不一样,thread类的get_id需要对象.get_id(),而这个可以直接this_thread::get_id()
代码示例
cpp
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<mutex>
#include<Windows.h>
#include<thread>
#include<condition_variable>
using namespace std;
void func()
{
cout << "Thread ID" << std::this_thread::get_id() << endl;
}
int main()
{
thread t1(func);
Sleep(1);
thread t2(func);
Sleep(1);
cout << "Main thread ID" << std::this_thread::get_id() << endl;
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
sleep_for和sleep_until
sleep_until表示休眠一个绝对时间,比如线程运行结束后,休眠到某个具体的时间点(明天八点)继续运行,sleep_for是让线程休眠一个相对时间(休眠3秒)
相对时间:时,分,秒,毫秒等,这些单位包含在chrono类中。

代码示例
cpp
#include<mutex>
#include<Windows.h>
#include<thread>
#include<condition_variable>
#include<vector>
using namespace std;
int main()
{
vector<thread> v(5);
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
v[i] = thread([]()->void
{
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
auto id = this_thread::get_id();
cout << "我是线程" << id << "正在运行" << endl;
this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(200));
}
});
}
for (auto& x : v)
{
x.join();
}
return 0;
}
线程函数传参数问题
线程函数的参数使拷贝的方式拷贝到线程栈空间中,使用引用传参数,在线程内部修改这个引用值也不会改变(在传过去的线程打印值还是原来的),因为实际引用的是线程栈中的拷贝,而不是线程函数的形参。
cpp
void add(int& num)
{
num++;
}
int main()
{
int num = 0;
thread t(add, num);
t.join();
cout << num << endl; //0
return 0;
}
通过线程函数形参改变外部的实参
cpp
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<mutex>
#include<Windows.h>
#include<thread>
#include<condition_variable>
#include<vector>
using namespace std;
void func1(int& x)
{
x += 10;
}
void func2(int* x)
{
*x += 10;
}
int main()
{
int a = 10;
//方案一
//如果想要通过形参改变外部实参时,必须借助std::ref()函数
std::thread t1(func1, std::ref(a));
t1.join();
std::cout << a << std::endl;
//方案二
std::thread t2(func2, &a);
t2.join();
cout << a << endl;
//方案三
std::thread t3([&a]() {a += 10; });
t3.join();
cout << a << endl;
}

5.互斥量库-mutex
锁是一种机制,用来确保同一时刻只有一个线程可以访问共享资源。通过使用锁,可以防止多个线程同时修改共享资源,从而保证数据的一致性和正确性。
线程拥有自己独立的栈结构,但对于全局变量等临界资源,是直接被多个线程共享的。
cpp
int g_val = 0;
void Func(int n)
{
cout << "&g_val: " << &g_val << " &n: " << &n << endl << endl;
}
int main()
{
int n = 10;
thread t1(Func, n);
thread t2(Func, n);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
g_val的地址一样,而局部变量的地址不一样,就说明栈区不是同一个,处于线程的独立栈。
6.标准库提供的四种互斥锁
1.std::mutex
mutex锁是基本的互斥量,mutex之间不能进行拷贝,也不能进行移动。
-
lock
-
功能:对互斥量进行加锁。
-
用法 :
mutex.lock();
-
说明 :调用
lock
函数会阻塞当前线程,直到互斥量被成功锁定。如果互斥量已经被其他线程锁定,调用lock
的线程将会等待,直到互斥量被解锁。
-
-
try_lock
-
功能:尝试对互斥量进行加锁。
-
用法 :
bool success = mutex.try_lock();
-
说明 :与
lock
不同,try_lock
不会阻塞当前线程。如果互斥量已经被其他线程锁定,try_lock
会立即返回false
,否则返回true
表示成功锁定互斥量。
-
-
unlock
-
功能:对互斥量进行解锁,释放互斥量的所有权。
-
用法 :
mutex.unlock();
-
说明 :调用
unlock
函数会释放当前线程持有的互斥量锁。之后,其他线程可以尝试通过lock
或try_lock
来获取互斥量的锁。需要注意的是,只有拥有互斥量锁的线程才能调用unlock
函数。
-
代码示例
cpp
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<mutex>
#include<Windows.h>
#include<thread>
#include<condition_variable>
#include<vector>
#include<mutex>
using namespace std;
int g_val = 0;
mutex mtx;
void func(int n)
{
mtx.lock();
while (n--)
{
g_val++;
}
mtx.unlock();
}
int main()
{
int n = 20000;
thread t1(func, n);
thread t2(func, n);
t1.join();
t2.join();
cout << "g_val:" <<g_val<< endl;
return 0;
}
并行与串行
互斥锁的加锁,解锁位置不同,就会有不同的效果,锁加在while的外面,则先拿到锁的线程就会先执行完任务,就是串行操作。锁加在while里面,则是两个线程一起执行任务,就是并行操作。
而在这个代码中,把锁放在外面是快的,因为锁在里面,临界区很小,就会频繁申请锁和释放锁,效率低下,最好把临界区的大小适当。
2.std::recursive_mutex
recursive_mutex递归互斥锁,这把锁主要用来递归加锁的场景中。
代码示例
这个代码就会造成死锁,因为申请锁后,执行递归函数,有重新申请锁,而锁并没有释放,就会阻塞在这里,造成死锁。把锁换成递归时用的锁就可以解决。(递归的锁会判断当前的函数是否跟递归前的函数是否一样,一样就可以访问临界区,而不会阻塞)
cpp
// 普通互斥锁
mutex mtx;
void func(int n)
{
if (n == 0)
return;
mtx.lock();
n--;
func(n);
mtx.unlock();
}
int main()
{
int n = 1000;
thread t1(func, n);
thread t2(func, n);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
3.std::timed_mutex
timed_mutex时间互斥锁,这把锁新增了定时解锁的功能,可以把程序运行指定时间后,自动解锁,如果锁没有解开。
try_lock_for是按照相对时间自动解锁,而try_lock_until则是按照绝对时间解锁
4.std::recursive_timed_mutex
这个锁是递归时间互斥锁,可以解决递归以及定时解锁。
7.RAII风格的锁
手动加锁,解锁可能会出现死锁问题,引进的异常处理,临界区遇到异常就跳出去执行catch了,锁就没有被解开,就导致死锁问题。
cpp
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx;
void dangerousFunction(int id)
{
// 手动加锁
mtx.lock();
std::cout << "Thread " << id << " is running." << std::endl;
// 模拟一个异常情况,没有解锁就退出
if (id == 1) {
throw std::runtime_error("Thread 1 encountered an error!");
}
// 手动解锁(如果有异常发生,这行代码不会执行)
mtx.unlock();
}
int main() {
try {
std::thread t1(dangerousFunction, 1);
std::thread t2(dangerousFunction, 2);
t1.join();
t2.join();
} catch (const std::exception &e) {
std::cerr << "Exception caught: " << e.what() << std::endl;
}
return 0;
}
RAII风格编写代码
cpp
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<mutex>
#include<Windows.h>
#include<thread>
#include<condition_variable>
#include<vector>
#include<mutex>
using namespace std;
std::mutex mtx;
void func(int id)
{
try
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
std::cout << "Thread" << id << " is running" << std::endl;
if (id == 1)
{
throw std::runtime_error("Thread error");
}
}
catch (const std::exception& e)
{
std::cerr << "Exception caught in thread" << id << ":" << e.what() << std::endl;
}
}
int main()
{
try
{
std::thread t1(func, 1);
std::thread t2(func, 2);
t1.join();
t2.join();
}
catch(const std::exception& e)
{
std::cerr << "Exception caught:" << e.what() << std::endl;
}
return 0;
}

lock_guard
std::lock_guard是C++是标准库的一个模板类,用于实现资源的自动加锁和解锁。基于RALL设计理念,能够确保在作用域结束时自动释放锁资源。
std::lock_guard的主要特点
1.自动加锁: 在创建std::lock_guard对象时,会立即对指定的互斥量进行加锁操作。这样可以确保在进入作用域后,互斥量已经被锁定,避免了并发访问资源的竞争条件。
2.自动解锁:std::lock_guard对象在作用域结束时,会自动释放互斥量。无论作用域是通过正常的流程结束、异常抛出还是使用return语句提前返回,std::lock_guard都能保证互斥量被正确解锁,避免了资源泄漏和死锁的风险。
3.适用于局部锁定: 由于std::lock_guard是通过栈上的对象实现的,因此适用于在局部范围内锁定互斥量。当超出std::lock_guard对象的作用域时,互斥量会自动解锁,释放控制权。
unique_lock
std::unique_lock是C++标准库中的一个模板类,用于实现更加灵活的互斥量的加锁和解锁操作。
std::unqiue_lock特点
1.可以自动加锁和解锁,在创建对象时立即对指定的互斥量进行加锁操作,确保互斥量被锁定。
2.更加灵活加锁和解锁,可以自动加锁和解锁,也可以手动解锁和解锁。
3.可以延迟加锁和条件变量,std::unqiue_lock支持延迟加锁的功能,可以在锁没申请下创建对象,加锁后就直接管理这个锁。
代码示例
cpp
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<mutex>
#include<Windows.h>
#include<thread>
#include<condition_variable>
#include<vector>
#include<mutex>
using namespace std;
std::mutex mtx;
void func1()
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
std::cout << "Thread running" << std::endl;
//手动解锁加锁
lock.unlock();
lock.lock();
}//结束时自动释放锁
int main()
{
std::thread t1(func1);
t1.join();
return 0;
}