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C++多线程编程入门指南

2023-07-13 11:29:18 深夜i -- --

C++ 多线程编程入门指南

C++是一种流行的编程语言，它被广泛地应用于各个领域，包括互联网、游戏、金融和科学计算等等。随着计算机硬件的发展，多核CPU已成为常态，因此，C++多线程编程已经成为了一个必备技能。本篇文章将提供一份C++多线程编程入门指南，帮助你掌握多线程编程的基本原理和方法。

1. 线程是什么？

线程是操作系统中最基本的执行单位，它类似于进程，但线程之间共享同一个地址空间。建立多个线程可以实现并发执行，提高程序的效率。C++标准库提供了std::thread类来支持多线程编程。

2. 线程的创建

创建线程需要使用std::thread类的构造函数。下面是一个例子：


#include <iostream>
#include <thread>
void threadFunc()
{
  std::cout << "Hello from thread!\n";
}
int main()
{
  std::thread t(threadFunc);
  t.join();
  return 0;
}

在上面的例子中，我们定义了一个简单的线程函数threadFunc，并在main函数中创建了一个std::thread对象t。std::thread的构造函数需要一个函数指针作为参数，表示要在新线程中执行的函数。我们把threadFunc作为参数传递给std::thread的构造函数。最后，通过调用t.join()，我们等待线程执行完毕再继续执行主线程。

3. 线程的传参和返回值

线程执行的函数可以有多个参数，我们可以通过构造函数的参数列表进行传递。下面是一个例子：


#include <iostream>
#include <thread>
void threadFunc(int x, int y)
{
  std::cout << "x + y = " << x + y << '\n';
}
int main()
{
  std::thread t(threadFunc, 2, 3);
  t.join();
  return 0;
}

在上面的例子中，我们修改了threadFunc函数，增加了两个参数x和y。在创建std::thread对象t时，我们通过构造函数的参数列表传递了这两个参数。

线程函数也可以返回一个值，可以使用std::promise和std::future来实现。下面是一个例子：


#include <iostream>
#include <thread>
#include <future>
void threadFunc(std::promise<int>& p)
{
  p.set_value(42);
}
int main()
{
  std::promise<int> p;
  std::future<int> f = p.get_future();
  std::thread t(threadFunc, std::ref(p));
  std::cout << "Answer: " << f.get() << '\n';
  t.join();
  return 0;
}

在上面的例子中，我们创建了一个std::promise对象p，并通过p.get_future()获取一个std::future对象f。std::promise对象p中的数据可以通过调用p.set_value()传递给std::future对象f。在调用f.get()时，如果线程还没有完成，就会阻塞等待。当线程完成之后，std::promise对象p就会将数据传递给std::future对象f，此时f.get()会返回42。

4. 线程的同步和互斥

在多线程编程中，不同线程之间共享同一块内存空间，因此可能会出现多个线程同时对同一变量进行读写操作的情况。这时就需要使用互斥量来保护共享数据，避免发生竞争条件。

C++标准库提供了std::mutex类来支持互斥量操作。通过调用std::mutex的lock()和unlock()方法，我们可以将需要保护的代码放在lock()和unlock()之间，实现互斥访问。下面是一个例子：


#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx;
void threadFunc(int& x)
{
  mtx.lock();
  ++x;
  std::cout << "x = " << x << '\n';
  mtx.unlock();
}
int main()
{
  int x = 0;
  std::thread t1(threadFunc, std::ref(x));
  std::thread t2(threadFunc, std::ref(x));
  t1.join();
  t2.join();
  return 0;
}

在上面的例子中，我们定义了一个共享的变量x，并在两个线程中对其进行读写操作。由于两个线程可能同时访问x，因此需要使用互斥量进行保护。

5. 线程的条件变量

线程的条件变量可以用来实现线程的通信和同步。C++标准库提供了std::condition_variable类来支持条件变量操作。下面是一个例子：


#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool done = false;
void workerThread()
{
  std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
  while(!done)
  {
    cv.wait(lock);
  }
  std::cout << "Worker thread done!\n";
}
int main()
{
  std::thread t(workerThread);
  std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));
  done = true;
  cv.notify_one();
  t.join();
  return 0;
}

在上面的例子中，我们定义了一个bool变量done，并在workerThread函数中使用while循环和std::condition_variable的wait方法进行等待，直到done变量变为true。在main函数中，我们通过调用std::this_thread::sleep_for方法让主线程等待5秒钟，然后将done变量设为true，并通过调用std::condition_variable的notify_one方法通知workerThread线程，使其从wait方法中返回并继续执行。最后，我们调用std::thread的join方法等待workerThread线程结束。

总结

以上介绍了C++多线程编程的基本知识点，包括线程的创建、传参和返回值、同步和互斥、以及条件变量的使用。多线程编程是一种非常重要的技能，它可以提高程序的效率和响应速度。在进行多线程编程时，必须注意线程安全和竞争条件等问题。希望本篇文章能够帮助你入门C++多线程编程。

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