C++多线程学习指南

发表于 由管理员

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/15Qk6oiUmnS0jMJ41841Cg

近期看到有读者在公众号留言问有没有C++多线程的学习方法，我这里特意总结了下，希望能对大家有所帮助。

什么是多线程？

不介绍，基础知识，直接看维基百科：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%9A%E7%BA%BF%E7%A8%8B

为什么要用多线程？

不介绍，基础知识，和上面在一个链接。

C++多线程知识点

如何创建线程？

多线程有多种创建方式：pthread、std::thread、std::jthread。

这里我推荐学习C++11引入的std::thread，它较pthread更方便，且在C++中更加常用。

至于std::jthread，不用管，学完std::thread后自然就能学会std::jthread。

关于C++11的多线程具体介绍可以看c++11新特性之线程相关所有知识点

使用std::thread创建线程很简单，直接利用它的构造函数即可：

void func() {
    xxxx;
}
int main() {
    std::thread t(func);
    if (t.joinable()) {
        t.join();
    }
    return 0;
}

注意上面代码，我使用了一个joinable()和join()，为什么要这么做？

因为如果不这么调用，在thread生命周期结束时，程序会crash。原因直接看thread的析构函数：

~thread(){
    if (joinable())
    std::terminate();
}

join()和detach()？

上面介绍了不调用join，程序会crash，其实也可以调用detach来避免程序crash，那它俩有什么区别？

join()表示阻塞等待子线程执行结束，子线程结束后才会继续往下执行。

detach()表示与当前对象分离，子线程无论做啥，无论是否执行结束都与我无关，爱咋咋地，最终靠操作系统回收相关资源。

joinable()是什么？

上面代码中出现了joinable()，可以简单理解为如果没有调用join()或者detach()，joinable()就返回true。如果调用了其中一个，joinable()就返回false。它主要就是为了搭配join()和detach()使用。

参数传递问题

多线程其实就是开启一个线程，运行某一个函数，上面的示例是运行的无参函数，那如何运行有参函数？怎么将参数传递进去？其实有好几种方法传递参数，我更倾向于使用的是lambda表达式，将有参函数+参数封装成无参函数，然后多线程调用。

示例代码：

#include <iostream>
#include <thread>
void func(int a, int b) {
 std::cout << "a + b = " << a + b << std::endl;
 }
int main() {
    auto lambda = []() { func(1, 2); };
    std::thread t(lambda);
    if (t.joinable()) {
        t.join();
    }
    return 0;
}

关于lambda表达式我之前写过文章介绍，可以看这里：

搞定c++11新特性std::function和lambda表达式

编译器如何实现lambda表达式？

成员函数问题

很多人可能还有疑问，如果多线程运行类对象的成员函数，这里可以使用和上面相同的方法，lambda表达式：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <thread>
struct A {
    void Print() {
      std::cout << "A\n";
 }
};
int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    auto func = [a]() { a->Print(); };
    std::thread t(func);
    if (t.joinable()) {
        t.join();
    }
    return 0;
}

小知识点

创建thread对象的常见方法有下面这两种：

std::thread a(func);
std::thread *a = new thread(func);
delete a;

有人在技术交流群里问过这两种方式的区别，相信仔细阅读过上面内容的你应该知道答案！

给个小提示：两者对象一个在堆上，一个在栈上，生命周期不同，即thread的析构函数调用时机不同，然后可以再结合上面介绍的~thread()的实现，思考一下。

为什么需要锁？

因为多线程读写数据可能存在线程安全问题，为了保证线程安全，其中一种方式就是使用锁。

 

关于线程安全问题，随便去个网站，比如维基百科、百度百科等，都能找到。

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E5%AE%89%E5%85%A8

mutex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

加解锁方式有三种：

  • std::lock_guard：可以RAII方式加锁
  • std::unique_lock：比lock_guard多了个手动加解锁的功能
  • std::scoped_lock：防止多个锁顺序问题导致的死锁问题而出世的一把锁

示例代码：

std::mutex mutex;
void func() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
    xxxxxxx
}

原子操作

上面介绍过使用锁可以解决线程安全问题，其实简单的变量，比如整型变量等，可以使用原子操作，C++11的原子操作都在<atomic>中。

示例代码：

std::atomic<int> count;
int get() {
    count.load();
}
void set(int c) {
    count.store(c);
}

上面这两个函数可以在多线程中任意调用，不会出现线程安全问题。

条件变量

条件变量是一种同步机制，可以阻塞一个线程或多个线程，直到其他线程对这些线程通知才会解除阻塞。这种通知和阻塞就需要用到条件变量。

示例代码：

class CountDownLatch {
   public:
    explicit CountDownLatch(uint32_t count) : count_(count);
    void CountDown() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        --count_;
        if (count_ == 0) {
            cv_.notify_all();
        }
    }
    void Await(uint32_t time_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_t GetCount() const {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
      return count_;
    }
   private:
    std::condition_variable cv_;
    mutable std::mutex mutex_;
    uint32_t count_ = 0;
};

有关条件变量其实有两个坑需要注意，移步这里：使用条件变量的坑你知道吗

基于任务的并发

这块个人认为只需要了解async即可，通过async既可以达到并发的目的，也可以拿到并发执行后的结果。

示例代码：

#include <functional>
#include <future>
#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
int func(int in) { return in + 1; }
int main() {
    auto res = std::async(func, 5);
    cout << res.get() << endl; // 阻塞直到函数返回
    return 0;
}

具体可以看：c++11新特性之线程相关所有知识点

也可以看我利用此种方式写的线程池：C++11线程池

其他

如何使线程休眠？

可以利用std::this_thread和chrono，它俩搭配使得线程休眠很方便，而且休眠时间也很清晰。可不像C语言的sleep，我每次使用C语言的sleep时都会特意去搜索一下，单位究竟是秒还是毫秒。

std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));

线程个数问题

很多人都会纠结线程池开多少个线程效率最高的问题，假设CPU个数为N，有的资料会介绍N个线程效率最高，有的资料会介绍2N个线程效率最高。在<thread>中通过以下函数可以获取CPU的个数：

static unsigned hardware_concurrency() noexcept;

至于需要开多少个线程，个人认为需要根据个性化需求实际测试，你测出来多少个线程性能最高，就开多少个线程。

死锁

死锁的定义可直接维基百科：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%AD%BB%E9%94%81

至于如何解决死锁，可以看：多线程中如何使用gdb精确定位死锁问题

我关于多线程还有一些建议，推荐大家看这个：

最后，在我学习多线程的过程中，发现了一篇介绍C++11多线程非常详细的博客，也推荐大家看看。

博客链接：https://www.cnblogs.com/haippy/p/3284540.html

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