C++ 11新标准中,正式的为该语言引入了多线程概念。新标准提供了一个线程库thread,通过创建一个thread对象来管理C++程序中的多线程。

本文简单聊一下C++多线程相关的一些概念及thread的基本用法。

0. 并行执行

程序并行执行两个必要条件:

  • 多处理器(multiple processors)or 多核处理器(multicore processors)
  • 软件并行

软件并发执行可分为两大类:

  1. 多线程并发  (同一个进程的多个线程并行);
  2. 多进程并发  (不同进程并行);

对于多线程,主要关注的是线程间的同步措施,用于确保线程安全;

对于多进程,主要关注的是进程间的通信机制,用于进程间传递消息和数据;

由于C++ 标准中没有多进程之间通信相关的标准,这些只能依赖于特定平台的API。本文只关注多线程相关。

1. C++多线程平台

C++11之前,window和linux平台分别有各自的多线程标准。使用C++编写的多线程往往是依赖于特定平台的。

  • Window平台提供用于多线程创建和管理的win32 api;
  • Linux下则有POSIX多线程标准,Threads或Pthreads库提供的API可以在类Unix上运行;

在C++11新标准中,可以简单通过使用hread库,来管理多线程。thread库可以看做对不同平台多线程API的一层包装;

因此使用新标准提供的线程库编写的程序是跨平台的。

2. pthread 或 C++ 11 thread

pthreads 是linux下的C++线程库,提供了一些线程相关的操作,比较偏向于底层,对线程的操作也是比较直接和方便的;

#include <pthread.h>
pthread_create (thread, attr, start_routine, arg)

linux上对于pthread的使用需要连接pthread库(有些编辑器可能需要 -std=c++11):

g++ source.cpp -lpthread -o source.o 

尽管网上对C++ 11新标准中的thread类有很多吐槽,但是作为C++第一个标准线程库,还是有一些值得肯定的地方的,比如跨平台,使用简单。

而且新标准中可以方便的使用RAII来实现lock的管理等。

如果你想深入研究一下多线程,那么pthread是一个不错的选择。如果想要跨平台或者实现一些简单的多线程场景而不过多关注细节,那么权威的标准库thread是不二之选。

总之没有好与坏之分,适合就好。可以的话可以都了解一下。本文主要介绍后者。

3. 先理论后实践

对于多线程相关的学习,先弄清楚线程相关的一些概念,是很重要的。

比如线程安全、线程同步与互斥关系、线程如何通信、与进程的关系如何等。

不然实际写多线程程序是会碰到太多的问题,例如:

  • 程序死锁,无响应;
  • 执行结果不符合预期;
  • 多线程性能并没有很大提升;
  • 理不清程序执行流程;
  • 不知道怎么调试;
  • 程序运行时好时坏;

光线程安全就有很多理论要了解,这些光靠调试程序,根据结果来猜测是不可行的。

关于多线程相关的概念可以参考我之前以Python为例介绍线程的博文:

4. thread 多线程实例

看一下C++11 使用标准库thread创建多线程的例子:

 #include<iostream>
#include<thread>
#include<string> using namespace std; int tstart(const string& tname) {
cout << "Thread test! " << tname << endl;
return ;
} int main() {
thread t(tstart, "C++ 11 thread!");
t.join();
cout << "Main Function!" << endl;
}

多线程标准库使用一个thread的对象来管理产生的线程。该例子中线程对象t表示新建的线程。

4.1 标准库创建线程的方式

打开thread头文件,可以清楚的看到thread提供的构造函数。

  1. 默认构造函数                                         thread() noexcept;
  2. 接受函数及其传递参数的构造函数      template <class _Fn, class... _Args, ...> explicit thread(_Fn&& _Fx, _Args&&... _Ax)
  3. move构造函数                                       thread(thread&& _Other) noexcept;
  4. 拷贝构造函数                                         thread(const thread&) = delete;
  5. 拷贝赋值运算符                                     thread& operator=(const thread&) = delete;

其中拷贝构造函数和拷贝赋值运算符被禁用,意味着std::thread对象不能够被拷贝和赋值到别的thread对象;

默认构造函数构造一个空的thread对象,但是不表示任何线程;

接受参数的构造函数创建一个表示线程的对象,线程从传入的函数开始执行,该对象是joinable的;

move构造函数可以看做将一个thread对象对线程的控制权限转移到另一个thread对象;执行之后,传入的thread对象不表示任何线程;

int main()
{
int arg = ;
std::thread t1; // t1 is not represent a thread
std::thread t2(func1, arg + );     // pass to thread by value
std::thread t3(func2, std::ref(arg)); // pass to thread by reference
std::thread t4(std::move(t3)); // t4 is now running func2(). t3 is no longer a thread
//t1.join() Error!
t2.join();
//t3.join() Error!
t4.join();
}

多数情况下我们使用的是上面第二种创建线程的方式。下面看一下join和detach。

4.2  join && detach

对于创建的线程,一般会在其销毁前调用join和detach函数;

弄清楚这两个函数的调用时机和意义,以及调用前后线程状态的变化非常重要。

  • join 会使当前线程阻塞,直到目标线程执行完毕;

    • 只有处于活动状态线程才能调用join,可以通过joinable()函数检查;
    • joinable() == true表示当前线程是活动线程,才可以调用join函数;
    • 默认构造函数创建的对象是joinable() == false;
    • join只能被调用一次,之后joinable就会变为false,表示线程执行完毕;
    • 调用 ternimate()的线程必须是 joinable() == false;
    • 如果线程不调用join()函数,即使执行完毕也是一个活动线程,即joinable() == true,依然可以调用join()函数;
  • detach 将thread对象及其表示的线程分离;
    • 调用detach表示thread对象和其表示的线程完全分离;
    • 分离之后的线程是不在受约束和管制,会单独执行,直到执行完毕释放资源,可以看做是一个daemon线程;
    • 分离之后thread对象不再表示任何线程;
    • 分离之后joinable() == false,即使还在执行;

join实例分析

int main() {
thread t(tstart, "C++ 11 thread!");
cout << t.joinable() << endl;
if (t.joinable()) t.join();
//t.detach(); Error
cout << t.joinable() << endl;
// t.join(); Error
cout << "Main Function!" << endl;
system("pause");
}

简单来说就是只有处于活动状态的线程才可以调用join,调用返回表示线程执行完毕,joinable() == false.

inline void thread::join()
{ // join thread
if (!joinable())
_Throw_Cpp_error(_INVALID_ARGUMENT);
const bool _Is_null = _Thr_is_null(_Thr); // Avoid Clang -Wparentheses-equality
... ...
}

将上面的t.join()换成是t.detach()会得到相同的结果.

void detach()
{ // detach thread
if (!joinable())
_Throw_Cpp_error(_INVALID_ARGUMENT);
_Thrd_detachX(_Thr);
_Thr_set_null(_Thr);
}

上面是thread文件中对detach的定义,可以看出只有joinable() == true的线程,也就是活动状态的线程才可以调用detach。

~thread() _NOEXCEPT
{ // clean up
if (joinable())
_XSTD terminate();
}

当线程既没有调用join也没有调用detach的时候,线程执行完毕joinable() == true,那么当thread对象被销毁的时候,会调用terminate()。

4.3 获取线程ID

线程ID是一个线程的标识符,C++标准中提供两种方式获取线程ID;

  1. thread_obj.get_id();
  2. std::this_thread::get_id()

有一点需要注意,就是空thread对象,也就是不表示任何线程的thread obj调用get_id返回值为0;

此外当一个线程被detach或者joinable() == false时,调用get_id的返回结果也为0。

cout << t.get_id() << ' ' << this_thread::get_id() << endl;
//t.detach();
t.join();
cout << t.get_id() << ' ' << std::this_thread::get_id() << endl;

4.4 交换thread表示的线程

除了上面介绍的detach可以分离thread对象及其所表示的线程,或者move到别的线程之外,还可以使用swap来交换两个thread对象表示的线程。

实例来看一下两个线程的交换。

int tstart(const string& tname) {
cout << "Thread test! " << tname << endl;
return ;
} int main() {
thread t1(tstart, "C++ 11 thread_1!");
thread t2(tstart, "C++ 11 thread_2!");
cout << "current thread id: " << this_thread::get_id() << endl;
cout << "before swap: "<< " thread_1 id: " << t1.get_id() << " thread_2 id: " << t2.get_id() << endl;
t1.swap(t2);
cout << "after swap: " << " thread_1 id: " << t1.get_id() << " thread_2 id: " << t2.get_id() << endl;
//t.detach();
t1.join();
t2.join();
}

结果:

Thread test! C++  thread_1!
Thread test! C++ thread_2!
current thread id:
before swap: thread_1 id: thread_2 id:
after swap: thread_1 id: thread_2 id:

下面是thread::swap函数的实现。

void swap(thread& _Other) _NOEXCEPT
{ // swap with _Other
_STD swap(_Thr, _Other._Thr);
}

可以看到交换的过程仅仅是互换了thread对象所持有的底层句柄;

关于C++ 多线程新标准thread的基本介绍就到这里了,看到这里应该有一个简单的认识了。

关于线程安全和管理等高级话题,后面有空在写文章介绍。

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