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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

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// 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:

      • 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)
      • 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:

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

示例程序如下:

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#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
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;
}
  • 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
    • 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
    • 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
    • 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
    • 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
  • 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
  • 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()
  • 基于命名空间 this_thread 得到当前线程的线程ID

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:

  • 加入式(join())
  • 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:

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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:

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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();
}

当主线程运行到第八行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:

  • 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
  • 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

同样,第9行的代码亦如此。

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:

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#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
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:

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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。

基于命名空间 this_thread 让当前线程休眠

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:

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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:

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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));
}

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:

  • 返回值为true:主线程和子线程之间有关联(连接)关系
  • 返回值为false:主线程和子线程之间没有关联(连接)关系
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bool joinable() const noexcept;

示例代码如下:

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#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
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:

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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:

  • 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
  • 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
  • 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
  • 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()会清理(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。

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// 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:

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

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

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static unsigned hardware_concurrency() noexcept;

示例代码如下:

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#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

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

4. C线程库

C语言提供的线程库不论在window还是Linux操作系统中都是可以使用的,看明白了这些C语言中的线程函数之后会发现它和上面的C++线程类使用很类似(其实就是基于面向对象的思想进行了封装),但C++的线程类用起来更简单一些,链接奉上,感兴趣的可以一看。

C线程库函数的使用