C++ std::thread 如何使用？

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。

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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 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::mutex my_mutex;
int counter = 0;
void my_func()
{
    std::lock_guard lock(my_mutex); // 获取互斥量的锁
    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 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 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：

1. 线程函数必须是可调用对象，如函数、函数指针、函数对象等。

2. 线程函数的参数必须是可拷贝的，否则需要使用std::ref包装。

3. 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。

4. 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。