C++ std::thread 使用方法
C++是一种高级编程语言,被广泛用于开发高性能、大规模、复杂的软件系统。其中一个强大的特性就是多线程编程,而std::thread是C++标准库提供的多线程支持的重要组成部分。
std::thread是一个轻量级线程类,它允许程序员创建、启动、停止、等待线程。与其他多线程库不同,std::thread在运行时不需要显式地创建和销毁线程,而是通过构造和析构线程对象来完成这些操作。
一、std::thread的构造和析构
std::thread的构造函数需要传入一个可调用对象,这个可调用对象可以是一个函数指针、一个函数对象、一个lambda表达式或一个类成员函数指针。创建线程的方式非常简单,例如:
void my_func() { // do something } std::thread my_thread(my_func); // 使用函数指针创建线程
线程对象创建后,它的执行路径就已经开始了。我们可以通过std::thread对象的join()方法等待线程结束并阻塞主线程:
std::thread my_thread(my_func); my_thread.join(); // 阻塞主线程等待子线程结束
当线程对象被销毁时,它会自动调用析构函数,如果线程没有被join()或detach(),则程序会终止并抛出std::terminate异常。
std::thread my_thread(my_func); // 不调用join()或detach() // 当my_thread对象离开作用域时会抛出std::terminate异常
二、std::thread的成员函数
std::thread类还有一些非常有用的成员函数,可以帮助我们管理线程的生命周期、获取线程信息和控制线程行为。
1.join()和detach()
join()方法可以阻塞主线程等待子线程结束,而detach()方法则将线程对象与底层线程分离,使得线程对象的生命周期不再受限于线程的生命周期。
std::thread my_thread(my_func); my_thread.detach(); // 分离线程,线程对象的生命周期不再受限于线程的生命周期
2.get_id()
get_id()方法返回线程对象所代表的线程的唯一标识符,这个标识符可以用来比较不同的线程对象是否代表同一个线程。
std::thread my_thread1(my_func); std::thread my_thread2(my_func); if (my_thread1.get_id() == my_thread2.get_id()) { // 不会执行到这里 }
3.hardware_concurrency()
hardware_concurrency()方法返回计算机硬件支持的并发线程数,这个值通常等于处理器的核心数。
std::cout << "可用线程数:" << std::thread::hardware_concurrency() << std::endl;
三、线程间的通信
线程间的通信是多线程编程中的一个重要问题,std::thread类提供了一些机制来帮助我们实现线程间的通信和同步。
1.std::atomic
std::atomic是一个原子类型,它可以保证对该类型的操作是原子的,即不会被其他线程中断。std::atomic可以用于实现线程间的共享变量。
std::atomic<int> counter{0}; void my_func() { counter++; } int main() { std::thread t1(my_func); std::thread t2(my_func); t1.join(); t2.join(); std::cout << counter << std::endl; // 输出2 return 0; }
2.std::mutex和std::lock_guard
std::mutex是一个互斥量,它可以用于实现线程间的互斥访问。std::lock_guard是一个RAII风格的互斥量保护器,它可以在构造函数中获取互斥量的锁,在析构函数中释放互斥量的锁。
std::atomic<int> counter{0}; void my_func() { counter++; } int main() { std::thread t1(my_func); std::thread t2(my_func); t1.join(); t2.join(); std::cout << counter << std::endl; // 输出2 return 0; }
3.std::condition_variable
std::condition_variable是一个条件变量,它可以用于实现线程间的同步。std::condition_variable通常与std::unique_lock一起使用,可以实现线程的等待和唤醒操作。
std::mutex my_mutex; std::condition_variable my_cv; bool ready = false; void my_func() { std::unique_lock<std::mutex> lock(my_mutex); // 获取互斥量的锁 ready = true; my_cv.notify_one(); // 唤醒等待中的线程 } int main() { std::thread t1(my_func); std::unique_lock<std::mutex> lock(my_mutex); my_cv.wait(lock, []{return ready;}); // 等待线程的唤醒 t1.join(); return 0; }
四、线程的异常处理
多线程程序中的异常处理是一个复杂的问题,std::thread类提供了一些机制来帮助我们处理线程中的异常。
1.try-catch块
在线程函数中使用try-catch块可以捕获线程中的异常,防止异常影响其他线程和整个程序。
void my_func() { try { // do something } catch (const std::exception& e) { // 处理异常 } } int main() { std::thread t1(my_func); std::thread t2(my_func); t1.join(); t2.join(); return 0; }
2.std::terminate
std::terminate是一个函数,它可以用于终止程序的执行。当线程中发生未被捕获的异常时,程序会自动调用std::terminate函数来终止程序的执行。
void my_func() { throw std::runtime_error("something went wrong"); } int main() { std::thread t1(my_func); std::thread t2(my_func); t1.join(); t2.join(); return 0; }
在上面的代码中,my_func函数会抛出一个std::runtime_error异常,如果这个异常没有被try-catch块捕获,程序就会调用std::terminate函数来终止程序的执行。
3.std::exception_ptr
std::exception_ptr是一个类,它可以用于保存线程中发生的异常。我们可以在主线程中调用std::exception_ptr::rethrow_exception函数来重新抛出线程中的异常。
std::exception_ptr my_exception; void my_func() { try { // do something } catch (...) { my_exception = std::current_exception(); // 保存异常 } } int main() { std::thread t1(my_func); std::thread t2(my_func); t1.join(); t2.join(); if (my_exception) { try { std::rethrow_exception(my_exception); // 重新抛出异常 } catch (const std::exception& e) { // 处理异常 } } return 0; }
在上面的代码中,my_func函数会捕获任何类型的异常,并将异常保存到my_exception变量中。在主线程中,如果my_exception变量中保存了异常,我们就调用std::rethrow_exception函数重新抛出异常,并在catch块中处理异常。
五、总结
C++11中的std::thread类是一个强大的多线程编程工具,它可以帮助我们轻松地创建和管理线程。通过std::thread类,我们可以实现线程的创建、启动、停止、等待和同步等操作,并可以使用各种机制来处理线程中的异常和实现线程间的通信。
在使用std::thread类时,我们需要注意以下几点:
- 线程函数必须是可调用对象,如函数、函数指针、函数对象等。
- 线程函数的参数必须是可拷贝的,否则需要使用std::ref包装。
- 线程对象必须在主线程中加入join或detach,否则会导致程序异常。
- 线程中发生的异常需要进行处理,否则会导致程序崩溃。
线程间的通信需要使用std::atomic、std::mutex、std::lock_guard和std::condition_variable等机制。
std::thread类是一个非常强大的多线程编程工具,它可以帮助我们实现各种复杂的多线程应用。熟练掌握std::thread类的使用方法和机制可以提高我们的多线程编程技能,也可以帮助我们更好地处理线程中的异常和实现线程间的通信。
最后,还有一些需要注意的点:
1.线程安全
多线程编程中一个非常重要的概念就是线程安全。如果多个线程同时访问同一个共享资源,可能会出现数据竞争(data race),导致程序出现不可预期的行为。
为了避免数据竞争,我们需要使用线程同步机制来保护共享资源。常用的线程同步机制包括std::mutex、std::lock_guard、std::unique_lock和std::condition_variable等。这些同步机制可以帮助我们实现互斥锁、条件变量等功能,以确保多个线程之间的正确协同工作。
2.线程池
线程池(thread pool)是一个管理一组线程的对象。线程池可以帮助我们管理线程的数量、复用线程资源、避免线程的创建和销毁等操作,从而提高多线程应用程序的效率。
C++标准库中并没有提供线程池的实现,但是我们可以使用第三方库或自己编写代码来实现线程池。常用的第三方线程池库包括Boost.Thread和Intel TBB等。
3.并发编程模型
并发编程模型是一种抽象的概念,它描述了多个任务之间的交互和协同工作。常用的并发编程模型包括消息传递模型、共享内存模型和数据流模型等。
消息传递模型(message passing)是指多个任务之间通过消息传递来进行通信和同步。共享内存模型(shared memory)是指多个任务之间通过共享内存来进行通信和同步。数据流模型(data flow)是指多个任务之间通过数据流来进行通信和同步。
C++中的std::thread类可以用于实现多个任务之间的并发编程模型。在使用std::thread类时,我们需要考虑线程间的同步和通信问题,以确保多个线程之间的正确协同工作。
4.多线程性能优化
在进行多线程编程时,我们需要考虑多线程性能优化问题。常用的多线程性能优化方法包括:
(1)避免线程的创建和销毁。线程的创建和销毁是比较耗时的操作,如果频繁地创建和销毁线程,会影响多线程应用程序的性能。我们可以使用线程池来复用线程资源,从而避免线程的创建和销毁。
(2)减少锁的使用。锁是一种线程同步机制,但是锁的使用会影响多线程应用程序的性能。如果多个线程之间访问同一个共享资源,可以使用无锁数据结构来避免锁的使用,从而提高多线程应用程序的性能。
(3)避免线程间的频繁通信。线程间的通信是需要开销的,如果频繁地进行线程间的通信,会影响多线程应用程序的性能。我们可以考虑将通信的数据缓存起来,减少线程间的频繁通信。
(4)使用本地变量。在多线程编程中,本地变量的访问不需要锁,可以提高多线程应用程序的性能。如果需要访问共享资源,可以将共享资源拷贝到本地变量中,从而避免锁的使用。
(5)使用任务并行模型。任务并行模型是一种并发编程模型,它可以将一个大任务划分为多个小任务,然后将小任务分配给多个线程来并行执行。这样可以提高多线程应用程序的性能。
总结:
C++中的std::thread类提供了一种方便的多线程编程方式。在使用std::thread类时,我们需要注意线程间的同步和通信问题,以确保多个线程之间的正确协同工作。同时,我们还需要考虑多线程性能优化问题,以提高多线程应用程序的性能。
除了std::thread类,C++标准库还提供了一些其他的多线程编程工具,例如std::async、std::future、std::promise等,它们都可以用于实现多线程编程。在进行多线程编程时,我们需要根据具体的应用场景选择合适的多线程编程工具。
最后,多线程编程是一项非常复杂的任务,需要有一定的经验和技能才能掌握。建议初学者从简单的例子开始,逐步深入了解多线程编程的相关概念和技术。
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