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說到多線程編程，那么就不得不提并行和并發(fā)，多線程是實(shí)現(xiàn)并發(fā)（并行）的一種手段。并行是指兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的操作同時(shí)進(jìn)行。注意這里是同時(shí)進(jìn)行，區(qū)別于并發(fā)，在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)執(zhí)行多個(gè)操作。在單核時(shí)代，多個(gè)線程是并發(fā)的，在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)輪流執(zhí)行；在多核時(shí)代，多個(gè)線程可以實(shí)現(xiàn)真正的并行，在多核上真正獨(dú)立的并行執(zhí)行。例如現(xiàn)在常見的4核4線程可以并行4個(gè)線程；4核8線程則使用了超線程技術(shù)，把一個(gè)物理核模擬為2個(gè)邏輯核心，可以并行8個(gè)線程。

并發(fā)編程的方法

通常，要實(shí)現(xiàn)并發(fā)有兩種方法：多進(jìn)程和多線程。

多進(jìn)程并發(fā)

使用多進(jìn)程并發(fā)是將一個(gè)應(yīng)用程序劃分為多個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程（每個(gè)進(jìn)程只有一個(gè)線程），這些獨(dú)立的進(jìn)程間可以互相通信，共同完成任務(wù)。由于操作系統(tǒng)對進(jìn)程提供了大量的保護(hù)機(jī)制，以避免一個(gè)進(jìn)程修改了另一個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)，使用多進(jìn)程比多線程更容易寫出安全的代碼。但這也造就了多進(jìn)程并發(fā)的兩個(gè)缺點(diǎn)：

• 在進(jìn)程件的通信，無論是使用信號、套接字，還是文件、管道等方式，其使用要么比較復(fù)雜，要么就是速度較慢或者兩者兼而有之。
• 運(yùn)行多個(gè)線程的開銷很大，操作系統(tǒng)要分配很多的資源來對這些進(jìn)程進(jìn)行管理。

由于多個(gè)進(jìn)程并發(fā)完成同一個(gè)任務(wù)時(shí)，不可避免的是：操作同一個(gè)數(shù)據(jù)和進(jìn)程間的相互通信，上述的兩個(gè)缺點(diǎn)也就決定了多進(jìn)程的并發(fā)不是一個(gè)好的選擇。

多線程并發(fā)

多線程并發(fā)指的是在同一個(gè)進(jìn)程中執(zhí)行多個(gè)線程。有操作系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)的應(yīng)該知道，線程是輕量級的進(jìn)程，每個(gè)線程可以獨(dú)立的運(yùn)行不同的指令序列，但是線程不獨(dú)立的擁有資源，依賴于創(chuàng)建它的進(jìn)程而存在。也就是說，同一進(jìn)程中的多個(gè)線程共享相同的地址空間，可以訪問進(jìn)程中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)，指針和引用可以在線程間進(jìn)行傳遞。這樣，同一進(jìn)程內(nèi)的多個(gè)線程能夠很方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)共享以及通信，也就比進(jìn)程更適用于并發(fā)操作。由于缺少操作系統(tǒng)提供的保護(hù)機(jī)制，在多線程共享數(shù)據(jù)及通信時(shí)，就需要程序員做更多的工作以保證對共享數(shù)據(jù)段的操作是以預(yù)想的操作順序進(jìn)行的，并且要極力的避免死鎖(deadlock)。

C++ 11的多線程初體驗(yàn)

C++11的標(biāo)準(zhǔn)庫中提供了多線程庫，使用時(shí)需要#include <thread>頭文件，該頭文件主要包含了對線程的管理類std::thread以及其他管理線程相關(guān)的類。下面是使用C++多線程庫的一個(gè)簡單示例：

#include <iostream> #include <thread> using namespace std; void output(int i) { cout << i << endl; } int main() { for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) { thread t(output, i); t.detach(); } getchar(); return 0; }

在一個(gè)for循環(huán)內(nèi)，創(chuàng)建4個(gè)線程分別輸出數(shù)字0、1、2、3，并且在每個(gè)數(shù)字的末尾輸出換行符。語句thread t(output, i)創(chuàng)建一個(gè)線程t，該線程運(yùn)行output，第二個(gè)參數(shù)i是傳遞給output的參數(shù)。t在創(chuàng)建完成后自動(dòng)啟動(dòng)，t.detach表示該線程在后臺(tái)允許，無需等待該線程完成，繼續(xù)執(zhí)行后面的語句。這段代碼的功能是很簡單的，如果是順序執(zhí)行的話，其結(jié)果很容易預(yù)測得到

0 \n 1 \n 2 \n 3 \n

但是在并行多線程下，其執(zhí)行的結(jié)果就多種多樣了，下圖是代碼一次運(yùn)行的結(jié)果：

可以看出，首先輸出了01，并沒有輸出換行符；緊接著卻連續(xù)輸出了2個(gè)換行符。不是說好的并行么，同時(shí)執(zhí)行，怎么還有先后的順序？這就涉及到多線程編程最核心的問題了資源競爭。CPU有4核，可以同時(shí)執(zhí)行4個(gè)線程這是沒有問題了，但是控制臺(tái)卻只有一個(gè)，同時(shí)只能有一個(gè)線程擁有這個(gè)唯一的控制臺(tái)，將數(shù)字輸出。將上面代碼創(chuàng)建的四個(gè)線程進(jìn)行編號：t0,t1,t2,t3，分別輸出的數(shù)字：0,1,2,3。參照上圖的執(zhí)行結(jié)果，控制臺(tái)的擁有權(quán)的轉(zhuǎn)移如下：

• t0擁有控制臺(tái)，輸出了數(shù)字0，但是其沒有來的及輸出換行符，控制的擁有權(quán)卻轉(zhuǎn)移到了t1；（0）
• t1完成自己的輸出，t1線程完成 （1\n）
• 控制臺(tái)擁有權(quán)轉(zhuǎn)移給t0，輸出換行符 （\n）
• t2擁有控制臺(tái)，完成輸出 （2\n）
• t3擁有控制臺(tái)，完成輸出 （3\n)

由于控制臺(tái)是系統(tǒng)資源，這里控制臺(tái)擁有權(quán)的管理是操作系統(tǒng)完成的。但是，假如是多個(gè)線程共享進(jìn)程空間的數(shù)據(jù)，這就需要自己寫代碼控制，每個(gè)線程何時(shí)能夠擁有共享數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。共享數(shù)據(jù)的管理以及線程間的通信，是多線程編程的兩大核心。

線程管理

每個(gè)應(yīng)用程序至少有一個(gè)進(jìn)程，而每個(gè)進(jìn)程至少有一個(gè)主線程，除了主線程外，在一個(gè)進(jìn)程中還可以創(chuàng)建多個(gè)線程。每個(gè)線程都需要一個(gè)入口函數(shù)，入口函數(shù)返回退出，該線程也會(huì)退出，主線程就是以main函數(shù)作為入口函數(shù)的線程。在C++ 11的線程庫中，將線程的管理在了類std::thread中，使用std::thread可以創(chuàng)建、啟動(dòng)一個(gè)線程，并可以將線程掛起、結(jié)束等操作。

啟動(dòng)一個(gè)線程

C++ 11的線程庫啟動(dòng)一個(gè)線程是非常簡單的，只需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)std::thread對象，就會(huì)啟動(dòng)一個(gè)線程，并使用該std::thread對象來管理該線程。

do_task(); std::thread(do_task);

這里創(chuàng)建std::thread傳入的函數(shù)，實(shí)際上其構(gòu)造函數(shù)需要的是可調(diào)用（callable）類型，只要是有函數(shù)調(diào)用類型的實(shí)例都是可以的。所有除了傳遞函數(shù)外，還可以使用：

• lambda表達(dá)式

使用lambda表達(dá)式啟動(dòng)線程輸出數(shù)字

for (int i = 0; i < 4; i++) {thread t([i]{ cout << i << endl; }); t.detach(); }

• 重載了()運(yùn)算符的類的實(shí)例

使用重載了()運(yùn)算符的類實(shí)現(xiàn)多線程數(shù)字輸出

class Task { public:void operator()(int i) { cout << i << endl; } }; int main() { for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) { Task task; thread t(task, i); t.detach(); } }

把函數(shù)對象傳入std::thread的構(gòu)造函數(shù)時(shí)，要注意一個(gè)C++的語法解析錯(cuò)誤（C++'s most vexing parse）。向std::thread的構(gòu)造函數(shù)中傳入的是一個(gè)臨時(shí)變量，而不是命名變量就會(huì)出現(xiàn)語法解析錯(cuò)誤。如下代碼：

std::thread t(Task());

這里相當(dāng)于聲明了一個(gè)函數(shù)t，其返回類型為thread，而不是啟動(dòng)了一個(gè)新的線程。可以使用新的初始化語法避免這種情況

std::thread t{Task()};

當(dāng)線程啟動(dòng)后，一定要在和線程相關(guān)聯(lián)的thread銷毀前，確定以何種方式等待線程執(zhí)行結(jié)束。C++11有兩種方式來等待線程結(jié)束

• detach方式，啟動(dòng)的線程自主在后臺(tái)運(yùn)行，當(dāng)前的代碼繼續(xù)往下執(zhí)行，不等待新線程結(jié)束。前面代碼所使用的就是這種方式。
• join方式，等待啟動(dòng)的線程完成，才會(huì)繼續(xù)往下執(zhí)行。假如前面的代碼使用這種方式，其輸出就會(huì)0,1,2,3，因?yàn)槊看味际乔耙粋€(gè)線程輸出完成了才會(huì)進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，啟動(dòng)下一個(gè)新線程。

無論在何種情形，一定要在thread銷毀前，調(diào)用t.join或者t.detach，來決定線程以何種方式運(yùn)行。當(dāng)使用join方式時(shí)，會(huì)阻塞當(dāng)前代碼，等待線程完成退出后，才會(huì)繼續(xù)向下執(zhí)行；而使用detach方式則不會(huì)對當(dāng)前代碼造成影響，當(dāng)前代碼繼續(xù)向下執(zhí)行，創(chuàng)建的新線程同時(shí)并發(fā)執(zhí)行，這時(shí)候需要特別注意：創(chuàng)建的新線程對當(dāng)前作用域的變量的使用，創(chuàng)建新線程的作用域結(jié)束后，有可能線程仍然在執(zhí)行，這時(shí)局部變量隨著作用域的完成都已銷毀，如果線程繼續(xù)使用局部變量的引用或者指針，會(huì)出現(xiàn)意想不到的錯(cuò)誤，并且這種錯(cuò)誤很難排查。例如：

auto fn = [](int *a){for (int i = 0; i < 10; i++) cout << *a << endl; }; []{ int a = 100; thread t(fn, &a); t.detach(); }();

在lambda表達(dá)式中，使用fn啟動(dòng)了一個(gè)新的線程，在裝個(gè)新的線程中使用了局部變量a的指針，并且將該線程的運(yùn)行方式設(shè)置為detach。這樣，在lamb表達(dá)式執(zhí)行結(jié)束后，變量a被銷毀，但是在后臺(tái)運(yùn)行的線程仍然在使用已銷毀變量a的指針，其輸出結(jié)果如下：

只有第一個(gè)輸出是正確的值，后面輸出的值是a已被銷毀后輸出的結(jié)果。所以在以detach的方式執(zhí)行線程時(shí)，要將線程訪問的局部數(shù)據(jù)復(fù)制到線程的空間（使用值傳遞），一定要確保線程沒有使用局部變量的引用或者指針，除非你能肯定該線程會(huì)在局部作用域結(jié)束前執(zhí)行結(jié)束。當(dāng)然，使用join方式的話就不會(huì)出現(xiàn)這種問題，它會(huì)在作用域結(jié)束前完成退出。

異常情況下等待線程完成

當(dāng)決定以detach方式讓線程在后臺(tái)運(yùn)行時(shí)，可以在創(chuàng)建thread的實(shí)例后立即調(diào)用detach，這樣線程就會(huì)后thread的實(shí)例分離，即使出現(xiàn)了異常thread的實(shí)例被銷毀，仍然能保證線程在后臺(tái)運(yùn)行。但線程以join方式運(yùn)行時(shí)，需要在主線程的合適位置調(diào)用join方法，如果調(diào)用join前出現(xiàn)了異常，thread被銷毀，線程就會(huì)被異常所終結(jié)。為了避免異常將線程終結(jié)，或者由于某些原因，例如線程訪問了局部變量，就要保證線程一定要在函數(shù)退出前完成，就要保證要在函數(shù)退出前調(diào)用join

void func() {thread t([]{ cout << "hello C++ 11" << endl; }); try { do_something_else(); } catch (...) { t.join(); throw; } t.join(); }

上面代碼能夠保證在正常或者異常的情況下，都會(huì)調(diào)用join方法，這樣線程一定會(huì)在函數(shù)func退出前完成。但是使用這種方法，不但代碼冗長，而且會(huì)出現(xiàn)一些作用域的問題，并不是一個(gè)很好的解決方法。

一種比較好的方法是資源獲取即初始化（RAII,Resource Acquisition Is Initialization)，該方法提供一個(gè)類，在析構(gòu)函數(shù)中調(diào)用join。

class thread_guard {thread &t; public :explicit thread_guard(thread& _t) : t(_t){} ~thread_guard() { if (t.joinable()) t.join(); } thread_guard(const thread_guard&) = delete; thread_guard& operator=(const thread_guard&) = delete; }; void func(){ thread t([]{ cout << "Hello thread" <<endl ; }); thread_guard g(t); }

無論是何種情況，當(dāng)函數(shù)退出時(shí)，局部變量g調(diào)用其析構(gòu)函數(shù)銷毀，從而能夠保證join一定會(huì)被調(diào)用。

向線程傳遞參數(shù)

向線程調(diào)用的函數(shù)傳遞參數(shù)也是很簡單的，只需要在構(gòu)造thread的實(shí)例時(shí)，依次傳入即可。例如：

void func(int *a,int n){} int buffer[10]; thread t(func,buffer,10); t.join();

需要注意的是，默認(rèn)的會(huì)將傳遞的參數(shù)以拷貝的方式復(fù)制到線程空間，即使參數(shù)的類型是引用。例如：

void func(int a,const string& str); thread t(func,3,"hello");

func的第二個(gè)參數(shù)是string &，而傳入的是一個(gè)字符串字面量。該字面量以const char*類型傳入線程空間后，在線程的空間內(nèi)轉(zhuǎn)換為string。

如果在線程中使用引用來更新對象時(shí)，就需要注意了。默認(rèn)的是將對象拷貝到線程空間，其引用的是拷貝的線程空間的對象，而不是初始希望改變的對象。如下：

class _tagNode { public:int a;int b; };void func(_tagNode &node) { node.a = 10; node.b = 20; } void f() { _tagNode node; thread t(func, node); t.join(); cout << node.a << endl ; cout << node.b << endl ; }

在線程內(nèi)，將對象的字段a和b設(shè)置為新的值，但是在線程調(diào)用結(jié)束后，這兩個(gè)字段的值并不會(huì)改變。這樣由于引用的實(shí)際上是局部變量node的一個(gè)拷貝，而不是node本身。在將對象傳入線程的時(shí)候，調(diào)用std::ref，將node的引用傳入線程，而不是一個(gè)拷貝。thread t(func,std::ref(node));

也可以使用類的成員函數(shù)作為線程函數(shù)，示例如下

class _tagNode{public:void do_some_work(int a); }; _tagNode node; thread t(&_tagNode::do_some_work, &node,20);

上面創(chuàng)建的線程會(huì)調(diào)用node.do_some_work(20)，第三個(gè)參數(shù)為成員函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)，以此類推。

轉(zhuǎn)移線程的所有權(quán)

thread是可移動(dòng)的(movable)的，但不可復(fù)制(copyable)。可以通過move來改變線程的所有權(quán)，靈活的決定線程在什么時(shí)候join或者detach。

thread t1(f1); thread t3(move(t1));

將線程從t1轉(zhuǎn)移給t3,這時(shí)候t1就不再擁有線程的所有權(quán)，調(diào)用t1.join或t1.detach會(huì)出現(xiàn)異常，要使用t3來管理線程。這也就意味著thread可以作為函數(shù)的返回類型，或者作為參數(shù)傳遞給函數(shù)，能夠更為方便的管理線程。

線程的標(biāo)識(shí)類型為std::thread::id，有兩種方式獲得到線程的id。

• 通過thread的實(shí)例調(diào)用get_id()直接獲取
• 在當(dāng)前線程上調(diào)用this_thread::get_id()獲取

總結(jié)

本文主要介紹了C++11引入的標(biāo)準(zhǔn)多線程庫的一些基本操作。有以下內(nèi)容：

• 線程的創(chuàng)建
• 線程的執(zhí)行方式,join或者detach
• 向線程函數(shù)傳遞參數(shù)，需要注意的是線程默認(rèn)是以拷貝的方式傳遞參數(shù)的，當(dāng)期望傳入一個(gè)引用時(shí)，要使用std::ref進(jìn)行轉(zhuǎn)換
• 線程是movable的，可以在函數(shù)內(nèi)部或者外部進(jìn)行傳遞
• 每個(gè)線程都一個(gè)標(biāo)識(shí)，可以調(diào)用get_id獲取。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的[转]C++ 11 多线程--线程管理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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