C++多线程图文详解

目录

1 什么是C++多线程？

1.1 线程与进程

1.2 并发与并行

1.3 多线程

2 std::thread类

2.1std::thread类构造函数

2.1 std::thread类成员函数

3 std::mutex类

3.1 类介绍

3.2 std::mutex成员函数

4 std::future异步线程

4.1 std::future异步线程理解

4.2 shared_future异步线程理解

5 原子类型automic

6 C++多线程高级知识

6.1 线程池基础知识

6.2 线程池所解决的问题

1 什么是C++多线程？

1.1 线程与进程

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，进程包含一个或者多个线程。进程可以理解为完成一件事的完整解决方案，而线程可以理解为这个解决方案中的的一个步骤，可能这个解决方案就这只有一个步骤，也可能这个解决方案有多个步骤。

1.2 并发与并行

并发：是指两个或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：是指两个或者多个事件在同一时刻发生，并行则是针对多核 CPU 提出，在不同CPU上的多个事件

1.3 多线程

多线程是实现并发（并行）的手段，并发（并行）即多个线程同时执行，一般而言，多线程就是把执行一件事情的完整步骤拆分为多个子步骤，然后使得这多个步骤同时执行。

2 std::thread类

std::thread 在 头文件中声明，因此使用 std::thread 时需要包含 头文件。

2.1std::thread类构造函数

• 默认构造函数：创建一个空thread对象，该对象非joinable
• 初始化构造函数：创建一个thread对象，该对象会调用Fn函数，Fn函数的参数由args指定，该对象是joinable的
• 拷贝构造函数：被禁用，意味着thread对象不可拷贝构造
• move构造函数：移动构造，执行成功之后x失效，即x的执行信息被移动到新产生的thread对象，该对象非joinable

#include #include #include #include #include #include void f1(int n){for (int i = 0; i < 5; ++i) {std::cout << "Thread 1 executing\n";std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));}std::cout << "\t";}void f2(int& n){for (int i = 0; i < 5; ++i) {std::cout << "Thread 2 executing\n";++n;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));}}int main(){int n = 0;std::thread t1; // t1 is not a threadstd::thread t2(f1, n + 1);// 值传递std::thread t3(f2, std::ref(n));// 引用传递std::thread t4(std::move(t3));// 移动构造函数t2.join();t4.join();std::cout << "Final value of n is " << n << '\n';}

2.1 std::thread类成员函数

（1）get_id：获取线程ID。返回一个类型为std::thread::id的对象。

#include #include #include void foo(){std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));}int main(){std::thread t1(foo);std::thread::id t1_id = t1.get_id();std::thread t2(foo);std::thread::id t2_id = t2.get_id();std::cout << "t1's id: " << t1_id << '\n';std::cout << "t2's id: " << t2_id << '\n';t1.join();t2.join();}

（2）joinable：检查线程是否可被join。检查当前的线程对象是否表示了一个活动的执行线程。缺省构造的thread对象、已经完成join的thread对象、已经detach的thread对象都不是joinable。

#include #include #include void foo(){std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));}int main(){std::thread t;std::cout << "before starting, joinable: " << t.joinable() << '\n';t = std::thread(foo);std::cout << "after starting, joinable: " << t.joinable() << '\n';t.join();}

（3）join：调用该函数会阻塞当前线程（主调线程）。阻塞调用者(caller)所在的线程（主调线程）直至被join的std::thread对象标识的线程（被调线程）执行结束。

#include #include #include void foo(){// simulate expensive operationstd::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));}void bar(){// simulate expensive operationstd::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));}int main(){std::cout << "starting first helper...\n";std::thread helper1(foo);std::cout << "starting second helper...\n";std::thread helper2(bar);std::cout << "waiting for helpers to finish..." << std::endl;helper1.join();helper2.join();std::cout << "done!\n";}

（4）detach：将当前线程对象所代表的执行实例与该线程对象分离，使得线程的执行可以单独进行。一旦线程执行完毕，它所分配的资源将会被释放。

​#include #include #include  void independentThread() {std::cout << "Starting concurrent thread.\n";std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));std::cout << "Exiting concurrent thread.\n";} void threadCaller() {std::cout << "Starting thread caller.\n";std::thread t(independentThread);t.detach();std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));std::cout << "Exiting thread caller.\n";} int main() {threadCaller();std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));}​

join和detach区别

• join()函数是一个等待线程完成函数，主线程需要等待子线程运行结束了才可以结束
• detach称为分离线程函数，使用detach()函数会让线程在后台运行，即说明主线程不会等待子线程运行结束才结束

（5）native_handle：该函数返回与std::thread具体实现相关的线程句柄。native_handle_type是连接thread类和操作系统SDK API之间的桥梁，如在Linux g++(libstdc++)里，native_handle_type其实就是pthread里面的pthread_t类型，当thread类的功能不能满足我们的要求的时候(比如改变某个线程的优先级)，可以通过thread类实例的native_handle()返回值作为参数来调用相关的pthread函数达到目录。

#include #include #include #include #include #include std::mutex iomutex;void f(int num){std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));sched_param sch;int policy; pthread_getschedparam(pthread_self(), &policy, &sch);std::lock_guard lk(iomutex);std::cout << "Thread " << num << " is executing at priority " << sch.sched_priority << '\n';}int main(){std::thread t1(f, 1), t2(f, 2);sched_param sch;int policy; pthread_getschedparam(t1.native_handle(), &policy, &sch);sch.sched_priority = 20;if(pthread_setschedparam(t1.native_handle(), SCHED_FIFO, &sch)) {std::cout << "Failed to setschedparam: " << std::strerror(errno) << '\n';}t1.join();t2.join();}

（6）swap：交换两个线程对象所代表的底层句柄。

#include #include #include void foo(){std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));}void bar(){std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));}int main(){std::thread t1(foo);std::thread t2(bar);std::cout << "thread 1 id: " << t1.get_id() << std::endl;std::cout << "thread 2 id: " << t2.get_id() << std::endl;std::swap(t1, t2);std::cout << "after std::swap(t1, t2):" << std::endl;std::cout << "thread 1 id: " << t1.get_id() << std::endl;std::cout << "thread 2 id: " << t2.get_id() << std::endl;t1.swap(t2);std::cout << "after t1.swap(t2):" << std::endl;std::cout << "thread 1 id: " << t1.get_id() << std::endl;std::cout << "thread 2 id: " << t2.get_id() << std::endl;t1.join();t2.join();}

（7）operator=：将线程与当前thread对象关联。

（8）hardware_concurrency：静态成员函数，返回当前计算机最大的硬件并发线程数目。基本上可以视为处理器的核心数目。

#include #include int main() {unsigned int n = std::thread::hardware_concurrency();std::cout << n << " concurrent threads are supported.\n";}

（9）sleep_for：线程休眠某个指定的时间片(time span)，该线程才被重新唤醒，不过由于线程调度等原因，实际休眠时间可能比 sleep_duration 所表示的时间片更长。

#include #include #include int main(){std::cout << "Hello waiter" << std::endl;std::chrono::milliseconds dura(2000);std::this_thread::sleep_for(dura);std::cout << "Waited 2000 ms\n";}

（10）sleep_until: 线程休眠至某个指定的时刻(time point)，该线程才被重新唤醒。

templatevoid sleep_until( const std::chrono::time_point& sleep_time );

3 std::mutex类

Mutex 又称互斥量，C++ 11中与 Mutex 相关的类（包括锁类型）和函数都声明在 头文件中，所以如果你需要使用 std::mutex，就必须包含 头文件。

如何理解：这样比喻，两个人要去银行的柜台办理业务，且银行只有一个柜台，A要办理业务，B也要办理业务，但是柜台同一时间只能给一个人办理，在办理业务时要坐到柜台位置（lock），用完后再离开柜台位置(unlock)。那么，这个柜台位置就是互斥量，互斥量保证了使用办理业务这一过程不被打断。

3.1 类介绍

（1）Mutex 系列类(四种)

（2）Lock 类（两种）

（3）函数

3.2 std::mutex成员函数

下面以 std::mutex 为例介绍 C++11 中的互斥量用法。

std::mutex 是C++11 中最基本的互斥量，std::mutex 对象提供了独占所有权的特性——即不支持递归地对 std::mutex 对象上锁，而 std::recursive_lock 则可以递归地对互斥量对象上锁。

（1）std::mutex 的成员函数

• 构造函数，std::mutex不允许拷贝构造，也不允许 move 拷贝，最初产生的 mutex 对象是处于 unlocked 状态的。
• lock()，调用线程将锁住该互斥量。线程调用该函数会发生下面 3 种情况：（1）如果该互斥量当前没有被锁住，则调用线程将该互斥量锁住，直到调用 unlock之前，该线程一直拥有该锁。（2）如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前的调用线程被阻塞住。（3）如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。
• unlock()， 解锁，释放对互斥量的所有权。
• try_lock()，尝试锁住互斥量，如果互斥量被其他线程占有，则当前线程也不会被阻塞。线程调用该函数也会出现下面 3 种情况，（1）如果当前互斥量没有被其他线程占有，则该线程锁住互斥量，直到该线程调用 unlock 释放互斥量。（2）如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前调用线程返回 false，而并不会被阻塞掉。（3）如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。

下面给出一个与 std::mutex 的小例子：

#include#include#includeusing namespace std;mutex m;//实例化m对象，不要理解为定义变量void proc1(int a){m.lock();cout << "proc1函数正在改写a" << endl;cout << "原始a为" << a << endl;cout << "现在a为" << a + 2 << endl;m.unlock();}void proc2(int a){m.lock();cout << "proc2函数正在改写a" << endl;cout << "原始a为" << a << endl;cout << "现在a为" << a + 1 << endl;m.unlock();}int main(){int a = 0;thread t1(proc1, a);thread t2(proc2, a);t1.join();t2.join();return 0;}

对比输出：

加了lock()和unlock()相当于银行只有一个柜台，没有加lock()和unlock()相当于银行有多个柜台，互不干扰。

// 加了lock()和unlock()proc1函数正在改写a原始a为0现在a为2proc2函数正在改写a原始a为0现在a为1

// 没有加lock()和unlock()proc2函数正在改写aproc1函数正在改写a原始a为原始a为00现在a为1现在a为2

（2）std::recursive_mutex 介绍

std::recursive_mutex 与 std::mutex 一样，也是一种可以被上锁的对象，但是和 std::mutex 不同的是，std::recursive_mutex 允许同一个线程对互斥量多次上锁（即递归上锁），来获得对互斥量对象的多层所有权，std::recursive_mutex 释放互斥量时需要调用与该锁层次深度相同次数的 unlock()，可理解为 lock() 次数和 unlock() 次数相同，除此之外，std::recursive_mutex 的特性和 std::mutex 大致相同。

（3）std::time_mutex 介绍

std::time_mutex 比 std::mutex 多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until()。

try_lock_for 函数接受一个时间范围，表示在这一段时间范围之内线程如果没有获得锁则被阻塞住（与 std::mutex 的 try_lock() 不同，try_lock 如果被调用时没有获得锁则直接返回 false），如果在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，如果超时（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。

try_lock_until 函数则接受一个时间点作为参数，在指定时间点未到来之前线程如果没有获得锁则被阻塞住，如果在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，如果超时（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。

下面的小例子说明了 std::time_mutex 的用法：

#include  // std::cout#include  // std::chrono::milliseconds#include  // std::thread#include  // std::timed_mutexstd::timed_mutex mtx;void fireworks() {// waiting to get a lock: each thread prints "-" every 200ms:while (!mtx.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200))) {std::cout << "-";}// got a lock! - wait for 1s, then this thread prints "*"std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));std::cout << "*\n";mtx.unlock();}int main (){std::thread threads[10];// spawn 10 threads:for (int i=0; i<10; ++i)threads[i] = std::thread(fireworks);for (auto& th : threads) th.join();return 0;}

（4）std::recursive_timed_mutex 介绍

和 std:recursive_mutex 与 std::mutex 的关系一样，std::recursive_timed_mutex 的特性也可以从 std::timed_mutex 推导出来。

（5）std::lock_guard 介绍

原理：内部构造时相当于执行了lock，析构时相当于执行unlock。，在其析构函数中进行解锁。最终的结果就是：创建即加锁，作用域结束自动解锁。从而使用lock_guard()就可以替代lock()与unlock()。例子：

#include#include#includeusing namespace std;mutex m;//实例化m对象，不要理解为定义变量void proc1(int a){lock_guard g1(m);//用此语句替换了m.lock()；lock_guard传入一个参数时，该参数为互斥量，此时调用了lock_guard的构造函数，申请锁定mcout << "proc1函数正在改写a" << endl;cout << "原始a为" << a << endl;cout << "现在a为" << a + 2 << endl;}//此时不需要写m.unlock(),g1出了作用域被释放，自动调用析构函数，于是m被解锁void proc2(int a){{lock_guard g2(m);cout << "proc2函数正在改写a" << endl;cout << "原始a为" << a << endl;cout << "现在a为" << a + 1 << endl;}//通过使用{}来调整作用域范围，可使得m在合适的地方被解锁cout << "作用域外的内容3" << endl;cout << "作用域外的内容4" << endl;cout << "作用域外的内容5" << endl;}int main(){int a = 0;thread t1(proc1, a);thread t2(proc2, a);t1.join();t2.join();return 0;}

输出：

proc1函数正在改写a原始a为0现在a为2proc2函数正在改写a原始a为0现在a为1作用域外的内容3作用域外的内容4作用域外的内容5

lock_gurad也可以传入两个参数，第一个参数为adopt_lock标识时，表示不再构造函数中不再进行互斥量锁定，因此此时需要提前手动锁定。

#include#include#includeusing namespace std;mutex m;//实例化m对象，不要理解为定义变量void proc1(int a){m.lock();//手动锁定lock_guard g1(m, adopt_lock);cout << "proc1函数正在改写a" << endl;cout << "原始a为" << a << endl;cout << "现在a为" << a + 2 << endl;}//自动解锁void proc2(int a){lock_guard g2(m);//自动锁定cout << "proc2函数正在改写a" << endl;cout << "原始a为" << a << endl;cout << "现在a为" << a + 1 << endl;}//自动解锁int main(){int a = 0;thread t1(proc1, a);thread t2(proc2, a);t1.join();t2.join();return 0;}

（6）std::unique_lock 介绍

unique_lock类似于lock_guard，只是unique_lock用法更加丰富，同时支持lock_guard()的原有功能。使用lock_guard后不能手动lock()与手动unlock()；使用unique_lock后可以手动lock()与手动unlock()；unique_lock的第二个参数，除了可以是adopt_lock,还可以是try_to_lock与defer_lock。

• try_to_lock：尝试去锁定，得保证锁处于unlock的状态，然后尝试现在能不能获得锁；尝试用mutx的lock()去锁定这个mutex，但如果没有锁定成功，会立即返回，不会阻塞在那里。
• defer_lock: 初始化了一个没有加锁的mutex。

#include#include#includeusing namespace std;mutex m;void proc1(int a){unique_lock g1(m, defer_lock); //始化了一个没有加锁的mutexg1.lock();//手动加锁，注意，不是m.lock()cout << "proc1函数正在改写a" << endl;cout << "proc1函数a为" << a << endl;cout << "proc1函数a+2为" << a + 2 << endl;g1.unlock();//临时解锁cout << "尝试自动解锁" << endl;g1.lock();cout << "运行后自动解锁" << endl;} //自动解锁void proc2(int a){unique_lock g2(m, try_to_lock);//尝试加锁，但如果没有锁定成功，会立即返回，不会阻塞在那里cout << "proc2函数正在改写a" << endl;cout << "proc2函数a为" << a << endl;cout << "proc2函数a+1为" << a + 1 << endl;} //自动解锁int main(){int a = 0;thread t1(proc1, a);thread t2(proc2, a);t1.join();t2.join();return 0;}

unique_lock所有权的转移

mutex m;{unique_lock g2(m,defer_lock);unique_lock g3(move(g2));//所有权转移，此时由g3来管理互斥量mg3.lock();g3.unlock();g3.lock();}

4 std::future异步线程

4.1 std::future异步线程理解

需要#include，async是一个函数模板，用来启动一个异步任务，它返回一个future类模板对象，future对象起到了占位的作用，刚实例化的future是没有储存值的，但在调用future对象的get()成员函数时，主线程会被阻塞直到异步线程执行结束，并把返回结果传递给future，即通过FutureObject.get()获取函数返回值。

如何理解：相当于你去银行业务（主线程），把资料交给了柜台，柜台人员去给你办理（async创建子线程），柜台人员给了你一个单据（future对象），说你的业务正在给你办（子线程正在运行），等段时间你再过来凭这个单据取结果。过了段时间，你去柜台取结果，但是结果还没出来（子线程还没return），你就在柜台人员等着（阻塞），直到你拿到结果（get()）你才离开（不再阻塞）。

#include #include #include #include#includeusing namespace std;double t1(const double a, const double b){double c = a + b;Sleep(3000);//假设t1函数是个复杂的计算过程，需要消耗3秒return c;}int main(){double a = 2.3;double b = 6.7;future fu = async(t1, a, b);//创建异步线程线程，并将线程的执行结果用fu占位；cout << "正在办理业务" << endl;cout << "马上为您办理好，请您耐心等待" << endl;cout << "计算结果：" << fu.get() << endl;//阻塞主线程，直至异步线程return，future对象的get()方法只能调用一次。return 0;}

输出：

正在办理业务马上为您办理好，请您耐心等待计算结果：9

4.2 shared_future异步线程理解

future与shard_future的用途都是为了占位，但是两者有些许差别。future的get()成员函数是转移数据所有权；shared_future的get()成员函数是复制数据。

• future对象的get()只能调用一次；无法实现多个线程等待同一个异步线程，一旦其中一个线程获取了异步线程的返回值，其他线程就无法再次获取。
• shared_future对象的get()可以调用多次；可以实现多个线程等待同一个异步线程，每个线程都可以获取异步线程的返回值。

5 原子类型automic

互斥量的加锁一般是针对一个代码段，而原子操作针对的一般都是一个变量。automic是一个模板类，使用该模板类实例化的对象，提供了一些保证原子性的成员函数来实现共享数据的常用操作。

在以前，定义了一个共享的变量(int i=0)，多个线程会操作这个变量，那么每次操作这个变量时，都是用lock加锁，操作完毕使用unlock解锁，以保证线程之间不会冲突；现在，实例化了一个类对象(automic i=0)来代替以前的那个变量，每次操作这个对象时，就不用lock与unlock，这个对象自身就具有原子性，以保证线程之间不会冲突。

automic对象提供了常见的原子操作（通过调用成员函数实现对数据的原子操作）：

• store是原子写操作，
• load是原子读操作。
• exchange是于两个数值进行交换的原子操作。
• 即使使用了automic，也要注意执行的操作是否支持原子性。一般atomic原子操作，针对++，–，+=，-=，&=，|=，^=是支持的。

#include #include #include using namespace std;atomic_int64_t total = 0; //atomic_int64_t相当于int64_t，但是本身就拥有原子性//线程函数，用于累加void threadFunc(int64_t endNum) {for (int64_t i = 1; i <= endNum; ++i){total += i;}}int main() {int64_t endNum = 100;thread t1(threadFunc, endNum);thread t2(threadFunc, endNum);t1.join();t2.join();cout << "total=" << total << endl; //10100}

6 C++多线程高级知识

6.1 线程池基础知识

不采用线程池时：创建线程 -> 由该线程执行任务 -> 任务执行完毕后销毁线程。即使需要使用到大量线程，每个线程都要按照这个流程来创建、执行与销毁。

虽然创建与销毁线程消耗的时间远小于线程执行的时间，但是对于需要频繁创建大量线程的任务，创建与销毁线程所占用的时间与CPU资源也会有很大占比。

为了减少创建与销毁线程所带来的时间消耗与资源消耗，因此采用线程池的策略：

• 程序启动后，预先创建一定数量的线程放入空闲队列中，这些线程都是处于阻塞状态，基本不消耗CPU，只占用较小的内存空间。
• 接收到任务后，线程池选择一个空闲线程来执行此任务。
• 任务执行完毕后，不销毁线程，线程继续保持在池中等待下一次的任务。

6.2 线程池所解决的问题

(1) 需要频繁创建与销毁大量线程的情况下，减少了创建与销毁线程带来的时间开销和CPU资源占用。（省时省力）

(2) 实时性要求较高的情况下，由于大量线程预先就创建好了，接到任务就能马上从线程池中调用线程来处理任务，略过了创建线程这一步骤，提高了实时性。（实时）

参考文章（本文是篇文章的学习汇总，参考链接如下）

（1）https://www.cnblogs.com/zizbee/p/13520823.html

（2）C++ thread_碎步の流年的博客-CSDN博客

（3） 函数”> 函数

（4）std::mutex 用法详解_std:mutex_faihung的博客-CSDN博客