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C++11多线程 Std::thread详解

HeZephyr HeZephyr 收录于 技术基础
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1 前言

我们知道，当程序运行起来，生成一个进程，该进程所属的主线程开始自动运行，C/C++的主线程就是main函数；当主线程从main()函数返回，则整个进程执行完毕。

所以主线程是从main()开始执行，其中我们自己创建的线程，也需要从一个函数开始运行（初始函数），一旦这个函数运行完毕，线程也结束运行。所以整个进程是否执行完毕的标志是：主线程是否执行完，如果主线程执行完毕了，就代表整个进程执行完毕了，此时如果其他子线程还没有执行完，也会被强行终止（符合大部分规律，也有例外）。

我们需要明白，如果有两个线程在跑，相当于整个程序中有两条线在同时走，即使一条被阻塞，另一条也能运行。

在C++11以前，使用线程库特别麻烦，C++11提供了一个新标准线程库，即thread，意味着C++语言本身增加对多线程的支持，意味着可移植性（跨平台），这大大减少开发人员的工作量。

2 std::thread

2.1 构造函数

构造函数如下，其含义分别注释：

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thread() noexcept; // 创建不代表线程的新线程对象。
thread( thread&& other ) noexcept; // 移动构造函数。构造表示曾为 other 所表示的执行线程的 thread 对象。此调用后 other 不再表示执行线程。一般需要使用move方法
template< class Function, class... Args > 
   explicit thread( Function&& f, Args&&... args ); // 构造新的 std::thread 对象并将它与执行线程关联。新的执行线程开始执行。其中f为可调用函数对象，args为传递的函数参数，一定要相互对应。
thread(const thread&) = delete; // 复制构造函数被删除，线程不可复制。

创建线程对象总共有以下几种方法：

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#include <iostream>
#include <thread>
#include <unistd.h> // 提供sleep函数

void sum(int a, int b) {
    std::cout << a + b << std::endl;
}
int main() {
    std::thread t1(); // 不是线程，使用第一种构造方法
    int a = 1, b = 2;
    std::thread t2(sum, a, b); // 是线程，按值传递，使用第三种构造方法
    std::thread t3(sum, std::ref(a), std::ref(b)); // 是线程，按引用传递，使用第三种构造方法
    std::thread t4(std::move(t2)); // t3现在是线程，运行sum，t2不再是线程。这是使用第二种构造方法。
    t2.join();
    t4.join();
    return 0;
}

官网上的给的代码如下（这种种类更多，适合用来分析学习，上面列举的内容实际上就够用了）：

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#include <iostream>
#include <utility>
#include <thread>
#include <chrono>
 
void f1(int n)
{
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "Thread 1 executing\n";
        ++n;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));
    }
}
 
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(10));
    }
}
 
class foo
{
public:
    void bar()
    {
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            std::cout << "Thread 3 executing\n";
            ++n;
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));
        }
    }
    int n = 0;
};
 
class baz
{
public:
    void operator()()
    {
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            std::cout << "Thread 4 executing\n";
            ++n;
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));
        }
    }
    int n = 0;
};
 
int main()
{
    int n = 0;
    foo f;
    baz b;
    std::thread t1; // t1 is not a thread
    std::thread t2(f1, n + 1); // pass by value
    std::thread t3(f2, std::ref(n)); // pass by reference
    std::thread t4(std::move(t3)); // t4 is now running f2(). t3 is no longer a thread
    std::thread t5(&foo::bar, &f); // t5 runs foo::bar() on object f
    std::thread t6(b); // t6 runs baz::operator() on a copy of object b
    t2.join();
    t4.join();
    t5.join();
    t6.join();
    std::cout << "Final value of n is " << n << '\n';
    std::cout << "Final value of f.n (foo::n) is " << f.n << '\n';
    std::cout << "Final value of b.n (baz::n) is " << b.n << '\n';
}

2.2 观察器

2.2.1 std:🧵:joinable 

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bool joinable() const noexcept;

这个函数用来检查this是否标识了一个活动的执行线程，即如果this标识了一个活动的执行线程，就返回true，否则返回false。

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

Output:

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before starting, joinable: false
after starting, joinable: true
after joining, joinable: false

2.2.2 std:🧵:get_id 

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std::thread::id get_id() const noexcept;

返回标识与 *this 关联的线程的 std::thread::id 。如果没有关联线程，则返回默认构造的std::thread::id。

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#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
 
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();
}

Possible output:

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t1's id: 2
t2's id: 3

2.3 操作

2.3.1 std:🧵:join 

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void join();

阻塞当前线程直至 *this所标识的线程结束其执行。*this 所标识的线程的完成同步于对应的从 join() 成功返回。*this 自身上不进行同步。同时从多个线程在同一 thread 对象上调用 join() 构成数据竞争，导致未定义行为。

可能引发的异常为：std::system_error

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#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
 
void foo()
{
    // simulate expensive operation
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}
 
void bar()
{
    // simulate expensive operation
    std::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";
}

Output:

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starting first helper...
starting second helper...
waiting for helpers to finish...
done!

2.3.2 std:🧵:detach 

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void detach();

从 thread 对象分离执行线程，允许执行独立地持续。一旦该线程退出，则释放任何分配的资源。调用 detach 后 *this 不再占有任何线程。

可能引发的异常为：std::system_error

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#include <iostream>
#include <chrono>
#include <thread>
 
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));
}

Possible output:

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Starting thread caller.
Starting concurrent thread.
Exiting thread caller.
Exiting concurrent thread.

这个示例即表明了主线程将先执行完。

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更新于 2024-11-04 
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