C++11并发之std::thread

知识链接：

C++11 并发之std::mutex

C++11 并发之std::atomic

本文概要：

1、成员类型和成员函数。

2、std::thread 构造函数。

3、异步。

4、多线程传递参数。

5、join、detach。

6、获取CPU核心个数。

7、CPP原子变量与线程安全。

8、lambda与多线程。

9、时间等待相关问题。

10、线程功能拓展。

11、多线程可变参数。

12、线程交换。

13、线程移动。

std::thread 在 #include<thread> 头文件中声明，因此使用 std::thread 时需要包含 #include<thread> 头文件。

1、成员类型和成员函数。

成员类型：

id: Thread id (public member type ) id

native_handle_type: Native handle type (public member type )

成员函数：

(constructor): Construct thread (public member function ) 构造函数

(destructor): Thread destructor (public member function ) 析构函数

operator=: Move-assign thread (public member function ) 赋值重载

get_id: Get thread id (public member function ) 获取线程id

joinable: Check if joinable (public member function ) 判断线程是否可以加入等待

join: Join thread (public member function ) 加入等待

detach: Detach thread (public member function ) 分离线程

swap: Swap threads (public member function ) 线程交换

native_handle: Get native handle (public member function ) 获取线程句柄

hardware_concurrency [static]: Detect hardware concurrency (public static member function ) 检测硬件并发特性

Non-member overloads：

swap (thread): Swap threads (function )

2、std::thread 构造函数。

如下表：

default (1): thread() noexcept;

initialization(2): template <class Fn, class... Args> explicit thread (Fn&& fn, Args&&... args);

copy [deleted] (3): thread (const thread&) = delete;

move [4]: hread (thread&& x) noexcept;

(1).默认构造函数，创建一个空的 thread 执行对象。

(2).初始化构造函数，创建一个 thread 对象，该 thread 对象可被 joinable，新产生的线程会调用 fn 函数，该函数的参数由 args 给出。

(3).拷贝构造函数（被禁用），意味着 thread 不可被拷贝构造。

(4).move 构造函数，move 构造函数，调用成功之后 x 不代表任何 thread 执行对象。

注意：可被 joinable 的 thread 对象必须在他们销毁之前被主线程 join 或者将其设置为 detached。

std::thread 各种构造函数例子如下：

[cpp] view plain copy

#include<iostream>
#include<thread>
#include<chrono>
using namespace std;
void fun1(int n) //初始化构造函数
{
cout << "Thread " << n << " executing\n";
n += 10;
this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(10));
}
void fun2(int & n) //拷贝构造函数
{
cout << "Thread " << n << " executing\n";
n += 20;
this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(10));
}
int main()
{
int n = 0;
thread t1; //t1不是一个thread
thread t2(fun1, n + 1); //按照值传递
t2.join();
cout << "n=" << n << '\n';
n = 10;
thread t3(fun2, ref(n)); //引用
thread t4(move(t3)); //t4执行t3，t3不是thread
t4.join();
cout << "n=" << n << '\n';
return 0;
}
运行结果:
Thread 1 executing
n=0
Thread 10 executing
n=30

3、异步。

例如：

[cpp] view plain copy

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
void show()
{
cout << "hello cplusplus!" << endl;
}
int main()
{
//栈上
thread t1(show); //根据函数初始化执行
thread t2(show);
thread t3(show);
//线程数组
thread th[3]{thread(show), thread(show), thread(show)};
//堆上
thread *pt1(new thread(show));
thread *pt2(new thread(show));
thread *pt3(new thread(show));
//线程指针数组
thread *pth(new thread[3]{thread(show), thread(show), thread(show)});
return 0;
}

4、多线程传递参数。

例如：

[cpp] view plain copy

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
void show(const char *str, const int id)
{
cout << "线程 " << id + 1 << " ：" << str << endl;
}
int main()
{
thread t1(show, "hello cplusplus!", 0);
thread t2(show, "你好，C++！", 1);
thread t3(show, "hello!", 2);
return 0;
}
运行结果：
线程 1线程 2 ：你好，C++！线程 3 ：hello!
：hello cplusplus!

发现，线程 t1、t2、t3 都执行成功！

5、join、detach。

join例子如下：

[cpp] view plain copy

#include<iostream>
#include<thread>
#include<array>
using namespace std;
void show()
{
cout << "hello cplusplus!" << endl;
}
int main()
{
array<thread, 3> threads = { thread(show), thread(show), thread(show) };
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
cout << threads[i].joinable() << endl;//判断线程是否可以join
threads[i].join();//主线程等待当前线程执行完成再退出
}
return 0;
}
运行结果:
hello cplusplus!
hello cplusplus!
1
hello cplusplus!
1
1

总结：

join 是让当前主线程等待所有的子线程执行完，才能退出。

detach例子如下：

[cpp] view plain copy

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
void show()
{
cout << "hello cplusplus!" << endl;
}
int main()
{
thread th(show);
//th.join();
th.detach();//脱离主线程的绑定，主线程挂了，子线程不报错，子线程执行完自动退出。
//detach以后，子线程会成为孤儿线程，线程之间将无法通信。
cout << th.joinable() << endl;
return 0;
}
运行结果:
hello cplusplus!
0

结论：

线程 detach 脱离主线程的绑定，主线程挂了，子线程不报错，子线程执行完自动退出。

线程 detach以后，子线程会成为孤儿线程，线程之间将无法通信。

6、获取CPU核心个数。

例如：

[cpp] view plain copy

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
int main()
{
auto n = thread::hardware_concurrency();//获取cpu核心个数
cout << n << endl;
return 0;
}
运行结果:
8

结论：

通过 thread::hardware_concurrency() 获取 CPU 核心的个数。

7、CPP原子变量与线程安全。

问题例如：

[cpp] view plain copy

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
const int N = 100000000;
int num = 0;
void run()
{
for (int i = 0; i < N; i++)
{
num++;
}
}
int main()
{
clock_t start = clock();
thread t1(run);
thread t2(run);
t1.join();
t2.join();
clock_t end = clock();
cout << "num=" << num << ",用时 " << end - start << " ms" << endl;
return 0;
}
运行结果:
num=143653419,用时 730 ms

从上述代码执行的结果，发现结果并不是我们预计的200000000，这是由于线程之间发生冲突，从而导致结果不正确。

为了解决此问题，有以下方法：

（1）互斥量。

例如：

[cpp] view plain copy

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
using namespace std;
const int N = 100000000;
int num(0);
mutex m;
void run()
{
for (int i = 0; i < N; i++)
{
m.lock();
num++;
m.unlock();
}
}
int main()
{
clock_t start = clock();
thread t1(run);
thread t2(run);
t1.join();
t2.join();
clock_t end = clock();
cout << "num=" << num << ",用时 " << end - start << " ms" << endl;
return 0;
}
运行结果：
num=200000000,用时 128323 ms

不难发现，通过互斥量后运算结果正确，但是计算速度很慢，原因主要是互斥量加解锁需要时间。

互斥量详细内容请参考C++11 并发之std::mutex。

（2）原子变量。

例如：

[cpp] view plain copy

#include<iostream>
#include<thread>
#include<atomic>
using namespace std;
const int N = 100000000;
atomic_int num{ 0 };//不会发生线程冲突，线程安全
void run()
{
for (int i = 0; i < N; i++)
{
num++;
}
}
int main()
{
clock_t start = clock();
thread t1(run);
thread t2(run);
t1.join();
t2.join();
clock_t end = clock();
cout << "num=" << num << ",用时 " << end - start << " ms" << endl;
return 0;
}
运行结果:
num=200000000,用时 29732 ms

不难发现，通过原子变量后运算结果正确，计算速度一般。

原子变量详细内容请参考C++11 并发之std::atomic。

（3）加入 join 。

例如：

[cpp] view plain copy

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
const int N = 100000000;
int num = 0;
void run()
{
for (int i = 0; i < N; i++)
{
num++;
}
}
int main()
{
clock_t start = clock();
thread t1(run);
t1.join();
thread t2(run);
t2.join();
clock_t end = clock();
cout << "num=" << num << ",用时 " << end - start << " ms" << endl;
return 0;
}
运行结果：
num=200000000,用时 626 ms

不难发现，通过原子变量后运算结果正确，计算速度也很理想。

8、lambda与多线程。

例如：

[cpp] view plain copy

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
int main()
{
auto fun = [](const char *str) {cout << str << endl; };
thread t1(fun, "hello world!");
thread t2(fun, "hello beijing!");
return 0;
}
运行结果：
hello world!
hello beijing!

9、时间等待相关问题。

例如：

[cpp] view plain copy

#include<iostream>
#include<thread>
#include<chrono>
using namespace std;
int main()
{
thread th1([]()
{
//让线程等待3秒
this_thread::sleep_for(chrono::seconds(3));
//让cpu执行其他空闲的线程
this_thread::yield();
//线程id
cout << this_thread::get_id() << endl;
});
return 0;
}

10、线程功能拓展。

例如：

[cpp] view plain copy

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
class MyThread :public thread //继承thread
{
public:
//子类MyThread()继承thread()的构造函数
MyThread() : thread()
{
}
//MyThread()初始化构造函数
template<typename T, typename...Args>
MyThread(T&&func, Args&&...args) : thread(forward<T>(func), forward<Args>(args)...)
{
}
void showcmd(const char *str) //运行system
{
system(str);
}
};
int main()
{
MyThread th1([]()
{
cout << "hello" << endl;
});
th1.showcmd("calc"); //运行calc
//lambda
MyThread th2([](const char * str)
{
cout << "hello" << str << endl;
}, " this is MyThread");
th2.showcmd("notepad");//运行notepad
return 0;
}
运行结果:
hello
//运行calc
hello this is MyThread
//运行notepad

11、多线程可变参数。

例如：

[cpp] view plain copy

#include<iostream>
#include<thread>
#include<cstdarg>
using namespace std;
int show(const char *fun, ...)
{
va_list ap;//指针
va_start(ap, fun);//开始
vprintf(fun, ap);//调用
va_end(ap);
return 0;
}
int main()
{
thread t1(show, "%s %d %c %f", "hello world!", 100, 'A', 3.14159);
return 0;
}
运行结果：
hello world! 100 A 3.14159

12、线程交换。

例如：

[cpp] view plain copy

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
int main()
{
thread t1([]()
{
cout << "thread1" << endl;
});
thread t2([]()
{
cout << "thread2" << endl;
});
cout << "thread1' id is " << t1.get_id() << endl;
cout << "thread2' id is " << t2.get_id() << endl;
cout << "swap after:" << endl;
swap(t1, t2);//线程交换
cout << "thread1' id is " << t1.get_id() << endl;
cout << "thread2' id is " << t2.get_id() << endl;
return 0;
}
运行结果:
thread1
thread2
thread1' id is 4836
thread2' id is 4724
swap after:
thread1' id is 4724
thread2' id is 4836

两个线程通过 swap 进行交换。

13、线程移动。

例如：

[cpp] view plain copy

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;
int main()
{
thread t1([]()
{
cout << "thread1" << endl;
});
cout << "thread1' id is " << t1.get_id() << endl;
thread t2 = move(t1);;
cout << "thread2' id is " << t2.get_id() << endl;
return 0;
}
运行结果:
thread1
thread1' id is 5620
thread2' id is 5620

从上述代码中，线程t2可以通过 move 移动 t1 来获取 t1 的全部属性，而 t1 却销毁了。

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