c++ 标准库多线程

C++ 多线程编程允许程序同时执行多个任务，从而提高性能和响应能力。C++11 引入了 <thread> 库，使得多线程编程更加方便。以下是一些基本概念和示例，帮助你理解如何在 C++ 中进行多线程编程。

1. 创建线程

使用 std::thread 类可以创建一个新线程。你需要将一个函数或可调用对象传递给 std::thread 构造函数。

#include <iostream>
#include <thread>

void threadFunction() {
    std::cout << "Hello from thread!\\\\n";
}

int main() {
    std::thread t(threadFunction);  // 创建线程并执行 threadFunction
    t.join();  // 等待线程结束
    std::cout << "Hello from main!\\\\n";
    return 0;
}

2. 传递参数给线程函数

你可以通过 std::thread 构造函数传递参数给线程函数。

#include <iostream>
#include <thread>

void printMessage(const std::string& message) {
    std::cout << message << "\\\\n";
}

int main() {
    std::thread t(printMessage, "Hello from thread!");
    t.join();
    std::cout << "Hello from main!\\\\n";
    return 0;
}

3. 线程同步

多个线程可能会同时访问共享资源，导致数据竞争。为了避免这种情况，可以使用互斥锁（std::mutex）来保护共享资源。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <vector>

std::mutex mtx;  // 互斥锁

void printNumber(int num) {
    mtx.lock();  // 加锁
    std::cout << "Number: " << num << "\\\\n";
    mtx.unlock();  // 解锁
}

int main() {
    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threads.emplace_back(printNumber, i);
    }
    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }
    return 0;
}

4. 使用 std::lock_guard 自动管理锁

std::lock_guard 是一个 RAII 风格的简单的锁管理器，它在构造时自动加锁，在析构时自动解锁。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <vector>

std::mutex mtx;

void printNumber(int num) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);  // 自动加锁和解锁
    std::cout << "Number: " << num << "\\\\n";
}

int main() {
    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threads.emplace_back(printNumber, i);
    }
    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }
    return 0;
}

5. 条件变量

条件变量（std::condition_variable）用于线程间的同步，允许一个线程等待另一个线程满足某些条件。

配合std::condition_variable::wait() 函数的第一个参数的必须是比lock_guard更灵活控制也更复杂重度的锁：std::unique_lock。它可以RAII自动析构，也可以手动lock/unlock，中间有的代码段就可以释放锁。手动把它unlock之后只是解锁，没有销毁，后续可以按需复用再次 lock/unlock。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void printMessage() {
    std::**unique_lock**<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, []{ return ready; });  // 等待条件满足
    std::cout << "Hello from thread!\\\\n";
}

int main() {
    std::thread t(printMessage);
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ready = true;  // 设置条件为 true
    }
    cv.notify_one();  // 通知等待的线程
    t.join();
    std::cout << "Hello from main!\\\\n";
    return 0;
}

相比lock_guard的优势：
1. 灵活性：unique_lock 支持延迟锁定（可以先构造对象而不立即加锁），而 lock_guard 在构造时就必须加锁。这意味着你可以先创建 unique_lock 对象，然后根据程序逻辑需要时再调用 lock() 或 unlock() 方法进行手动加锁或解锁。
2. 条件变量的支持：unique_lock 可以与标准库中的条件变量一起使用，如 std::condition_variable，这是 lock_guard 所不具备的功能。这是因为条件变量需要能够原子地释放锁并进入等待状态，这正是 unique_lock 提供的能力之一。
3. 锁的所有权转移：unique_lock 支持移动语义（move semantics），允许将锁的所有权从一个 unique_lock 对象转移到另一个对象，从而使得锁可以在不同的作用域中传递。而 lock_guard 不支持这种操作，它的锁所有权是固定的。
4. 尝试锁定（try-locking）：除了基本的 lock() 和 unlock() 方法外，unique_lock 还提供了 try_lock() 方法，该方法尝试获取锁但不会阻塞线程，如果无法获得锁则立即返回失败结果。这对于避免线程长时间阻塞非常有用。

wait第二个参数predicate谓词的用法参见：
<https://en.cppreference.com/w/cpp/thread/condition_variable/wait>
predicate不满足不会结束等待执行后续语句。

6. 线程池

C++ 标准库没有直接提供线程池的实现，但你可以使用第三方库（如 Boost）或自己实现一个简单的线程池。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <functional>

class ThreadPool {
public:
    ThreadPool(size_t numThreads) {
        for (size_t i = 0; i < numThreads; ++i) {
            workers.emplace_back([this] {
                while (true) {
                    std::function<void()> task;
                    {
                        std::unique_lock<std::mutex> lock(this->queueMutex);
                        this->condition.wait(lock, [this] { return this->stop || !this->tasks.empty(); });
                        if (this->stop && this->tasks.empty()) return;
                        task = std::move(this->tasks.front());
                        this->tasks.pop();
                    }
                    task();
                }
            });
        }
    }

    template<class F>
    void enqueue(F&& f) {
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(queueMutex);
            tasks.emplace(std::forward<F>(f));
        }
        condition.notify_one();
    }

    ~ThreadPool() {
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(queueMutex);
            stop = true;
        }
        condition.notify_all();
        for (std::thread &worker : workers) {
            worker.join();
        }
    }

private:
    std::vector<std::thread> workers;
    std::queue<std::function<void()>> tasks;
    std::mutex queueMutex;
    std::condition_variable condition;
    bool stop = false;
};

int main() {
    ThreadPool pool(4);

    for (int i = 0; i < 8; ++i) {
        pool.enqueue([i] {
            std::cout << "Task " << i << " is running on thread " << std::this_thread::get_id() << "\\\\n";
        });
    }

    return 0;
}

7. 线程局部存储

线程局部存储（Thread Local Storage, TLS）允许每个线程拥有自己的变量实例。C++11 引入了 thread_local 关键字来实现这一点。

#include <iostream>
#include <thread>

thread_local int threadLocalVar = 0;

void threadFunction(int id) {
    threadLocalVar = id;
    std::cout << "Thread " << id << " has threadLocalVar = " << threadLocalVar << "\\\\n";
}

int main() {
    std::thread t1(threadFunction, 1);
    std::thread t2(threadFunction, 2);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

8. 异步任务

C++11 引入了 std::async 和 std::future，用于异步执行任务并获取结果。

// (1) .使用 std::async 和 std::future
#include <iostream>
#include <future>

int compute() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    return 42;
}

int main() {
    // 启动异步任务
    std::future<int> fut = std::async(std::launch::async, compute);

    // 获取结果
    int result = fut.get();
    std::cout << "Result: " << result << std::endl;

    return 0;
}


// (2) .使用 std::packaged_task
#include <iostream>
#include <future>
#include <thread>

int compute() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    return 42;
}

int main() {
    // 创建 packaged_task
    std::packaged_task<int()> task(compute);

    // 获取 future
    std::future<int> fut = task.get_future();

    // 在另一个线程中执行任务
    std::thread t(std::move(task));
    t.join();

    // 获取结果
    int result = fut.get();
    std::cout << "Result: " << result << std::endl;

    return 0;
}


// (3) . 使用 std::promise
#include <iostream>
#include <future>
#include <thread>

void compute(std::promise<int> prom) {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    prom.set_value(42);
}

int main() {
    // 创建 promise 和 future
    std::promise<int> prom;
    std::future<int> fut = prom.get_future();

    // 在另一个线程中执行任务
    std::thread t(compute, std::move(prom));

    // 获取结果
    int result = fut.get();
    std::cout << "Result: " << result << std::endl;

    t.join();
    return 0;
}

相比传统的多线程编程，C++11 的异步机制（利用std::future、std::async、std::packaged_task 和 std::promise等工具类）提供了以下额外的好处：

• 更高的抽象层次，简化了异步操作的管理。
• 自动化的结果传递和异常处理。
• 更灵活的线程管理和任务执行策略。
• 更清晰的代码结构和更低的耦合度。
• 支持任务组合和超时等待。

这些机制使异步编程更加直观、安全和高效，是现代 C++ 并发编程的重要组成部分。

 

9. 原子操作（无锁编程）

https://en.cppreference.com/w/cpp/thread

C++ 中的原子操作是通过 std::atomic 类型（ #include <atomic>）来实现的，它提供了一种线程安全的方式来操作共享数据，避免了使用互斥锁（std::mutex）的开销。原子操作适用于简单的数据操作（如整数、指针等），并且可以保证操作的原子性（即不会被其他线程中断）。

std::atomic 提供了 load() 和 store() 方法，用于安全地读取和写入原子变量的值。

 std::atomic 提供了 compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong，用于实现比较并交换（Compare-And-Swap, CAS）操作。

 支持指定内存顺序（Memory Order：https://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/memory_order），用于控制原子操作的内存可见性和顺序一致性。

原子操作总结

• std::atomic 提供了一种高效的方式来实现线程安全的操作。

• 适用于简单的数据类型（如整数、布尔值、指针等）。

• 支持多种原子操作（如加载、存储、CAS 等）。

• 可以通过内存顺序控制操作的可见性和顺序一致性。

总结

C++ 标准库多线程编程提供了强大的工具来处理并发任务。通过使用 std::thread、std::mutex、std::condition_variable 等工具，你可以编写高效且安全的多线程程序。需要注意的是，多线程编程容易引入数据竞争和死锁等问题，因此需要仔细设计和测试。

 

 

pthread（POSIX Thread）多线程编程

POSIX是Portable Operating System Interface的缩写，是IEEE为各种*NIX OS 定义的一系列互相关联的软件API标准的总称。（Windows环境下无pthread，Linux GCC4.6以下编译需加-pthread编译选项）

c++11 的std::thread提供了更高层的抽象，更加简便易用、可移植性佳，而pthread功能更偏底层、功能也更强大。

在版本较新的 Linux Kernel 中，pthread API 的具体实现是 2003年由redhat主导重构的 NPTL（Native POSIX Thread Library）。

• 实现源码：https://github.com/lattera/glibc/blob/master/nptl/pthread_create.c
• 文档：https://docs.oracle.com/cd/E192

另可参考：https://www.cs.cmu.edu/afs/cs/academic/class/15492-f07/www/pthreads.html

　　　　　　https://man7.org/linux/man-pages/man3/pthread_create.3.html

 pthread 代码例子：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define NUM_THREADS    5

void *PrintHello(void *threadid)
{
    long tid;
    tid = (long) threadid;
    printf("Hello World! It's me, thread #%ld!\n", tid);
    pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    int rc;
    long t;
    for (t = 0; t < NUM_THREADS; t++)
    {
        printf("In main: creating thread %ld\n", t);
        rc = pthread_create(&threads[t], NULL, PrintHello, (void *) t);
        if (rc)
        {
            printf("ERROR; return code from pthread_create() is %d\n", rc);
            exit(-1);
        }
    }
    /* Last thing that main() should do */
    pthread_exit(NULL);
}

互斥锁：（代码参见：）

pthread_mutex_init (mutex,attr);
pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutexattr_init (attr);
pthread_mutexattr_destroy (attr);
phtread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
phtread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
phtread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

条件变量：（代码参见：）

pthread_cond_wait (condition,mutex);
pthread_cond_signal (condition);
pthread_cond_broadcast (condition);

备注：pthread本身目前没有直接提供原子操作功能，它专注于线程管理和同步机制。

　　pthread要实现原子操作：可以

• 1. 使用C11/C++11 标准原子库：使用现代 C/C++ 标准（如 C11 的 <stdatomic.h> 或 C++11 的 <atomic>）；（推荐）
• 2. 使用由GCC、Clang 等编译器提供的内置原子函数（ __atomic_* 系列函数，如 __atomic_add_fetch() ）；
• 3. 平台特定的原子指令：x86 架构提供 LOCK 前缀指令（如 LOCK XADD）。ARM 架构使用 LDREX/STREX 指令实现原子操作。这些通常通过内联汇编或编译器内置函数调用。

机制	适用场景	性能	复杂度
条件变量+唯一互斥锁	等待条件复杂（任务队列）	高	高
pthread信号量	资源池（连接池）控制、生产者-消费者模型	高	中
pthread互斥锁	短临界区互斥访问	极高	低
原子操作	简单计数器、标志位	最高	低

 

c语言版本	面市年份	核心特性
C89/C90	1989/1990	首个官方标准，基础语法和库
C99	1999	单行注释、变长数组、long long
C11	2011	多线程、原子操作、泛型宏
C17	2018	缺陷修复，无新语法
C23	2023/2024 (已出草案)	#embed、constexpr、UTF-8增强

 

 附知乎上一些专业意见：

 

如何正确地使用设计模式？ - 陈硕的回答 - 知乎
https://www.zhihu.com/question/23757906/answer/25567356

除非你还在写 Java，否则设计模式真没多大用处。

首先明确一点，这里说的“设计模式”，是“面向对象设计模式”的简称，以 GoF 书中列出的 23 个模式为代表。这些设计模式更多的是对于先前语言特性不足时的补充。