C++学习之路(01)—多线程std::thread初探

目录

0.前言

1.线程与进程的概念

2.C++11后的多线程

2.1基础使用

2.2小技巧

3.线程安全

3.1互斥锁

3.2原子操作(atomic)

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0.前言

由于是学习笔记，就不放在项目经验系列里了。

参考资料：

C++多线程详细讲解_千场托儿索的博客-CSDN博客_c++多线程

https://www.jianshu.com/p/5f0bc41249ad

1.线程与进程的概念

废话不多说。

进程就是程序的实体，比如你打开任务管理器，上面vscode，wegame等等就是应用，一个应用可能包含一个或多个进程，各司其职。一般而言，进程之间是分隔开的，一个崩了不影响其他的，除非进程之间存在通信，那就是多进程编程，但这样有诸如效率低，麻烦等缺点。

而线程就是轻量级的进程，区别在于线程不独立的拥有资源，依赖于创建它的进程而存在，同一进程中的多个线程共享相同的地址空间，可以访问进程中的大部分数据。而一个进程至少拥有一个线程。

应用-进程-线程，就像公司-部门-员工吧。

2.C++11后的多线程

2.1基础使用

之前的pthread.h太麻烦，C++11后，就引入了#include<thread>，它在CMakeLists中的引用方式为

find_package(Threads REQUIRED)
 
target_link_libraries(${PROJECT_NAME} ${CMAKE_THREAD_LIBS_INIT})

创建和使用多线程的方式如下

#include <iostream>
#include <thread>
 
int k=0;
 
void foo(int n)
{
for(int i=0;i<n;i++)
{k++;}
}
 
void foo_2(int n)
{
for(int i=0;i<n;i++)
{k++;}
}
 
int main()
{
    std::thread Tr1(foo,100);
    std::thread Tr2(foo_2,100);
 
    Tr1.join();
    Tr2.join();
 
    std::cout<<k<<std::endl;
}

其中，当创建好std::thread对象时，函数foo和foo_2就已经在执行了，下面的join的意思是，如果当main()函数执行到这里，Tr1和Tr2还在执行，就等等，执行完了才往下走（很合理，线程阻塞，等待结果），detach不推荐使用。

然后这里相当于有两个线程在同时执行foo和foo_2函数的，这就提高了效率。

实际写程序，可能遇到如下报错，原因是函数名可能和某个类的成员函数名重合了，成员函数作为传参需加上类名。

error: no matching function for call to 'std::thread::thread ...

然后这里还有个线程安全的问题，即，上面两个线程同时在修改公共资源k，当你把n调大，比如100000，就会发现k不等于2n。

2.2小技巧

我现在有一段代码，如果我不想专门创建一个函数呢？没关系，可以用匿名函数

std::thread Tr([&](){some codes});

即便这个some codes有千行也可以。

第二个是，我不确定我要创建几个线程，能不能动态决定？

可以，用数组和匿名对象

std::vector<std::thread> TRs;
TRs.reserve(num);
 
for(int i=0;i<num;i++)
{
    TRs.emplace_back(std::thread([&,=i](){some codes})); // 公共资源要么上锁，要么像i一样使用值传递
}
 
for(int i=0;i<num;i++)
{
    TRs[i].join();
}

最后问一下，一个进程能创建多少线程？跟默认预留堆栈空间有关，linux下，大约几百到几千吧。

3.线程安全

3.1互斥锁

可以通过对资源上锁的方式，杜绝同时访问，高级的我还不懂，初级的手动锁和自动锁如下:

①手动上锁解锁

// 手动锁
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
 
std::mutex mtx;
int k=0;
 
void foo(int n)
{
mtx.lock();
for(int i=0;i<n;i++)
{k++;}
mtx.unlock();
}
 
void foo_2(int n)
{
mtx.lock();
for(int i=0;i<n;i++)
{k++;}
mtx.unlock();
}
 
int main()
{
    std::thread Tr1(foo,100);
    std::thread Tr2(foo_2,100);
 
    Tr1.join();
    Tr2.join();
 
    std::cout<<k<<std::endl;
}

②自动锁

// 自动锁
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
 
std::mutex mtx;
int k=0;
 
void foo(int n)
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
for(int i=0;i<n;i++)
{k++;}
}
 
void foo_2(int n)
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
for(int i=0;i<n;i++)
{k++;}
}
 
int main()
{
    std::thread Tr1(foo,100);
    std::thread Tr2(foo_2,100);
 
    Tr1.join();
    Tr2.join();
 
    std::cout<<k<<std::endl;
}

然后需要注意的是，我们说的同时访问指的是真的同一处，比如你定义一个公共资源结构体，两个线程同时访问同一结构体实例中的不同成员，其实是没有影响的（个人实验，不对请指教）。

3.2原子操作(atomic)

互斥锁虽然保证了安全，但性能开销挺大的，所以C++11引入了原子，即，直接把公共资源设为原子类型，它会自动保证同时只有一个线程访问修改，不需要加锁解锁，代码如下

// 原子
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <atomic>
 
std::atomic<int> k=0;
 
void foo(int n)
{
for(int i=0;i<n;i++)
{k++;}
}
 
void foo_2(int n)
{
for(int i=0;i<n;i++)
{k++;}
}
 
int main()
{
    std::thread Tr1(foo,100);
    std::thread Tr2(foo_2,100);
 
    Tr1.join();
    Tr2.join();
 
    std::cout<<k<<std::endl;
}

当然原子的玩法有很多，暂时没探究了，总而言之，它的性能开销比互斥锁加锁解锁小，也能保证安全。