C++11特性:C++线程类 thread

C++11之前,C++语言没有对并发编程提供语言级别的支持,这使得我们在编写可移植的并发程序时,存在诸多的不便。现在C++11中增加了线程以及线程相关的类,很方便地支持了并发编程,使得编写的多线程程序的可移植性得到了很大的提高。

C++11中提供的线程类叫做std::thread,基于这个类创建一个新的线程非常的简单,只需要提供线程函数或者函数对象即可,并且可以同时指定线程函数的参数。我们首先来了解一下这个类提供的一些常用API:

1. 构造函数

// ①
thread() noexcept;
// ②
thread( thread&& other ) noexcept;
// ③
template< class Function, class... Args >
explicit thread( Function&& f, Args&&... args );
// ④
thread( const thread& ) = delete;

构造函数①:默认构造函,构造一个线程对象,在这个线程中不执行任何处理动作。

构造函数②:移动构造函数,将 other 的线程所有权转移给新的thread 对象。之后 other 不再表示执行线程。

构造函数③:创建线程对象,并在该线程中执行函数f中的业务逻辑,args是要传递给函数f的参数

任务函数f的可选类型有很多,具体如下:

        1. 普通函数类成员函数匿名函数仿函数(这些都是可调用对象类型)。
        2. 可以是可调用对象包装器类型,也可以是使用绑定器绑定之后得到的类型(仿函数)。


构造函数④:使用=delete显示删除拷贝构造, 不允许线程对象之间的拷贝。

 2. 公共成员函数

 2.1 get_id():

应用程序启动之后默认只有一个线程,这个线程一般称之为主线程或父线程,通过线程类创建出的线程一般称之为子线程,每个被创建出的线程实例都对应一个线程ID,这个ID是唯一的,可以通过这个ID来区分和识别各个已经存在的线程实例,这个获取线程ID的函数叫做get_id(),函数原型如下:

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

示例程序如下:

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

void func(int num, string str)
{
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        cout << "子线程: i = " << i << "num: " 
             << num << ", str: " << str << endl;
    }
}

void func1()
{
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        cout << "子线程: i = " << i << endl;
    }
}

int main()
{
    cout << "主线程的线程ID: " << this_thread::get_id() << endl;
    thread t(func, 520, "i love you");
    thread t1(func1);
    cout << "线程t 的线程ID: " << t.get_id() << endl;
    cout << "线程t1的线程ID: " << t1.get_id() << endl;
}

输出结果为:

主线程的线程ID: 27308
线程t 的线程ID: 4924
线程t1的线程ID: 18780
子线程: i = 0
子线程: i = 1
子线程: i = 2
子线程: i = 3
子线程: i = 4
子线程: i = 5
子线程: i = 6
子线程: i = 7
子线程: i = 8
子线程: i = 9
子线程: i = 0num: 520, str: i love you
子线程: i = 1num: 520, str: i love you
子线程: i = 2num: 520, str: i love you
子线程: i = 3num: 520, str: i love you
子线程: i = 4num: 520, str: i love you
子线程: i = 5num: 520, str: i love you
子线程: i = 6num: 520, str: i love you
子线程: i = 7num: 520, str: i love you
子线程: i = 8num: 520, str: i love you
子线程: i = 9num: 520, str: i love you

1. thread t(func, 520, "i love you");:创建了子线程对象tfunc()函数会在这个子线程中运行。
2. func()是一个回调函数,线程启动之后就会执行这个任务函数,程序猿只需要实现即可。
3. func()的参数是通过thread的参数进行传递的,520,i love you都是调用func()需要的实参。
4. 线程类的构造函数③是一个变参函数,因此无需担心线程任务函数的参数个数问题。
5. 任务函数func()一般返回值指定为void,因为子线程在调用这个函数的时候不会处理其返回值。
6. thread t1(func1);:子线程对象t1中的任务函数func1(),没有参数,因此在线程构造函数中就无需指定了。
7. 通过线程对象调用get_id()就可以知道这个子线程的线程ID了,t.get_id(),t1.get_id()。

8. 基于命名空间this_thread得到当前线程的线程ID。

注意:

在上面的示例程序中有一个bug,在主线程中依次创建出两个子线程,打印两个子线程的线程ID,最后主线程执行完毕就退出了(主线程就是执行main()函数的那个线程)。默认情况下,主线程销毁时会将与其关联的两个子线程也一并销毁,但是这时有可能子线程中的任务还没有执行完毕,最后也就得不到我们想要的结果了。

当启动了一个线程(创建了一个thread对象)之后,在这个线程结束的时候(std::terminate()),我们如何去回收线程所使用的资源呢?thread库给我们两种选择:

1. 加入式(join())
2. 分离式(detach())

另外,我们必须要在线程对象销毁之前在二者之间作出选择,否则程序运行期间就会有bug产生。

 2.2 join():

join()字面意思是连接一个线程,意味着主动地等待线程的终止(线程阻塞)。在某个线程中通过子线程对象调用join()函数,调用这个函数的线程被阻塞,但是子线程对象中的任务函数会继续执行,当任务执行完毕之后join()会清理当前子线程中的相关资源然后返回,同时,调用该函数的线程解除阻塞继续向下执行。

再次强调,我们一定要搞清楚这个函数阻塞的是哪一个线程,函数在哪个线程中被执行,那么函数就阻塞哪个线程。该函数的函数原型如下:

void join();

有了这样一个线程阻塞函数之后,就可以解决在上面测试程序中的bug了,如果要阻塞主线程的执行,只需要在主线程中通过子线程对象调用这个方法即可,当调用这个方法的子线程对象中的任务函数执行完毕之后,主线程的阻塞也就随之解除了。修改之后的示例代码如下:

int main()
{
    cout << "主线程的线程ID: " << this_thread::get_id() << endl;
    thread t(func, 520, "i love you");
    thread t1(func1);
    cout << "线程t 的线程ID: " << t.get_id() << endl;
    cout << "线程t1的线程ID: " << t1.get_id() << endl;
    t.join();
    t1.join();
}

当主线程运行到t.join();,根据子线程对象t的任务函数func()的执行情况,主线程会做如下处理:

1. 如果任务函数func()还没执行完毕,主线程阻塞,直到任务执行完毕,主线程解除阻塞,继续向下运行
2. 如果任务函数func()已经执行完毕,主线程不会阻塞,继续向下运行

同理t1.join();同样如此。

 

为了更好的理解join()的使用,再来给大家举一个例子,场景如下:

程序中一共有三个线程,其中两个子线程负责分段下载同一个文件,下载完毕之后,由主线程对这个文件进行下一步处理,那么示例程序就应该这么写:

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

void download1()
{
    // 模拟下载, 总共耗时500ms,阻塞线程500ms
    this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(500));
    cout << "子线程1: " << this_thread::get_id() << ", 找到历史正文...." << endl;
}

void download2()
{
    // 模拟下载, 总共耗时300ms,阻塞线程300ms
    this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(300));
    cout << "子线程2: " << this_thread::get_id() << ", 找到历史正文...." << endl;
}

void doSomething()
{
    cout << "集齐历史正文, 呼叫罗宾...." << endl;
    cout << "历史正文解析中...." << endl;
    cout << "起航,前往拉夫德尔...." << endl;
    cout << "找到OnePiece, 成为海贼王, 哈哈哈!!!" << endl;
    cout << "若干年后,草帽全员卒...." << endl;
    cout << "大海贼时代再次被开启...." << endl;
}

int main()
{
    thread t1(download1);
    thread t2(download2);
    // 阻塞主线程,等待所有子线程任务执行完毕再继续向下执行
    t1.join();
    t2.join();
    doSomething();
}

示例程序输出的结果:

子线程2: 72540, 找到历史正文....
子线程1: 79776, 找到历史正文....
集齐历史正文, 呼叫罗宾....
历史正文解析中....
起航,前往拉夫德尔....
找到OnePiece, 成为海贼王, 哈哈哈!!!
若干年后,草帽全员卒....
大海贼时代再次被开启....

 

在上面示例程序中最核心的处理是在主线程调用doSomething();之前在第35、36行通过子线程对象调用了join()方法,这样就能够保证两个子线程的任务都执行完毕了,也就是文件内容已经全部下载完成,主线程再对文件进行后续处理,如果子线程的文件没有下载完毕,主线程就去处理文件,很显然从逻辑上讲是有问题的。

 2.3 detach():

detach()函数的作用是进行线程分离,分离主线程和创建出的子线程。在线程分离之后,主线程退出也会一并销毁创建出的所有子线程,在主线程退出之前,它可以脱离主线程继续独立的运行,任务执行完毕之后,这个子线程会自动释放自己占用的系统资源。(其实就是孩子翅膀硬了,和家里断绝关系,自己外出闯荡了,如果家里被诛九族还是会受牵连)。该函数函数原型如下:

void detach();

线程分离函数没有参数也没有返回值,只需要在线程成功之后,通过线程对象调用该函数即可,继续将上面的测试程序修改一下:

int main()
{
    cout << "主线程的线程ID: " << this_thread::get_id() << endl;
    thread t(func, 520, "i love you");
    thread t1(func1);
    cout << "线程t 的线程ID: " << t.get_id() << endl;
    cout << "线程t1的线程ID: " << t1.get_id() << endl;
    t.detach();
    t1.detach();
    // 让主线程休眠, 等待子线程执行完毕
    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(5));
}

若没有最后的让主线程休眠的语句,终端可能有些语句不会打印就结束了,子线程会继续在后台执行,直至其完成或被操作系统终止。

注意事项:

线程分离函数detach()不会阻塞线程,子线程和主线程分离之后,在主线程中就不能再对这个子线程做任何控制了,比如:通过join()阻塞主线程等待子线程中的任务执行完毕,或者调用get_id()获取子线程的线程ID。有利就有弊,鱼和熊掌不可兼得,建议使用join()。

2.5 joinable():

 

joinable()函数用于判断主线程和子线程是否处理关联(连接)状态,一般情况下,二者之间的关系处于关联状态,该函数返回一个布尔类型:

1. 返回值为true:主线程和子线程之间有关联(连接)关系
2. 返回值为false:主线程和子线程之间没有关联(连接)关系

bool joinable() const noexcept;

示例代码如下:

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

void foo()
{
    this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}

int main()
{
    thread t;
    cout << "before starting, joinable: " << t.joinable() << endl;

    t = thread(foo);
    cout << "after starting, joinable: " << t.joinable() << endl;

    t.join();
    cout << "after joining, joinable: " << t.joinable() << endl;

    thread t1(foo);
    cout << "after starting, joinable: " << t1.joinable() << endl;
    t1.detach();
    cout << "after detaching, joinable: " << t1.joinable() << endl;
}

示例代码打印的结果如下:

before starting, joinable: 0
after starting, joinable: 1
after joining, joinable: 0
after starting, joinable: 1
after detaching, joinable: 0

 基于示例代码打印的结果可以得到以下结论:

1. 在创建的子线程对象的时候,如果没有指定任务函数,那么子线程不会启动,主线程和这个子线程也不会进行连接。
2. 在创建的子线程对象的时候,如果指定了任务函数,子线程启动并执行任务,主线程和这个子线程自动连接成功。
3. 子线程调用了detach()函数之后,父子线程分离,同时二者的连接断开,调用joinable()返回false
4. 在子线程调用了join()函数,子线程中的任务函数继续执行,直到任务处理完毕,这时join()清理(回收)当前子线程的相关资源,所以这个子线程和主线程的连接也就断开了,因此,调用join()之后再调用joinable()会返回false

 2.6 operator=:

线程中的资源是不能被复制的,因此通过=操作符进行赋值操作最终并不会得到两个完全相同的对象。

// move (1)	
thread& operator= (thread&& other) noexcept;
// copy [deleted] (2)	
thread& operator= (const other&) = delete;

通过以上=操作符的重载声明可以得知:

1. 如果other是一个右值,会进行资源所有权的转移。
2. 如果other不是右值,禁止拷贝,该函数被显示删除(=delete),不可用。

示例代码如下:

#include 
#include 
#include 

void task() {
	// 一个简单的任务
	std::cout << "Task is running..." << std::endl;
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
	std::cout << "Task completed." << std::endl;
}

int main() {
	std::thread thread1(task); // 创建一个线程执行 task

	std::thread thread2;       // 创建一个空线程
	thread2 = std::move(thread1);// 使用移动赋值将 thread1 的执行移动给 thread2


	if (thread1.joinable()) {
		std::cout << "进程1" << std::endl;
		thread1.join(); // 检查 thread1 是否可 join,如果是,则 join
	}

	if (thread2.joinable()) {
		std::cout << "进程2" << std::endl;
		thread2.join(); // 确保 thread2 完成执行
	}

	return 0;
}

输出结果为:

进程2
Task is running...
Task completed.

3. 静态函数 

thread线程类还提供了一个静态方法,用于获取当前计算机的CPU核心数,根据这个结果在程序中创建出数量相等的线程,每个线程独自占有一个CPU核心,这些线程就不用分时复用CPU时间片,此时程序的并发效率是最高的。

static unsigned hardware_concurrency() noexcept;

示例代码如下:

#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    int num = thread::hardware_concurrency();
    cout << "CPU number: " << num << endl;
}

注意:

在 C++ 中,创建线程的最大数量没有一个严格的上限,这主要取决于操作系统和系统资源。不过,有几个因素通常会影响你能创建的线程数量:

1. 操作系统限制:不同的操作系统和系统配置可能有不同的线程限制。例如,某些系统可能限制单个进程可以创建的线程数量。

2. 内存限制:每个线程都需要一定量的堆栈内存。系统的总内存大小(包括物理内存和虚拟内存)限制了可以创建的线程总数。如果系统内存不足,创建过多的线程可能会导致内存耗尽。

3. 性能考虑:即使可以创建成百上千的线程,但实际上这可能并不高效。线程太多可能导致处理器花费大量时间在线程之间切换上,而非执行实际的工作负载。

通常,一个好的做法是使用与处理器核心数量相当的线程数量,这尤其适用于计算密集型任务。对于 I/O 密集型任务,由于线程经常被阻塞,可以使用更多的线程。

实际上,最好的做法是根据应用程序的具体需求来动态确定线程数量。例如,可以使用线程池,并根据工作负载来增加或减少线程数量。

本文参考:C++线程的使用 | 爱编程的大丙 (subingwen.cn) 

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