C++多线程学习笔记精要

C++多线程编程是现代程序设计中非常重要的一环，它允许程序同时执行多个线程，以充分利用多核处理器的性能，提高程序的运行效率。以下是对“C++多线程学习笔记1”中提到的知识点的详细阐述。 ### 知识点一：C++11多线程支持的引入 C++11标准前，C++没有内建的多线程支持。程序员往往需要依赖操作系统级别的API或者第三方库（如POSIX线程库、Windows API或Boost.Thread）来创建和管理线程。C++11标准之后，引入了内建的线程库，通过<thread>头文件，提供了简洁明了的API来创建和控制线程，使得多线程编程变得更加方便和规范。 ### 知识点二：thread类的使用 在C++11中，<thread>库提供了std::thread类来表示线程对象。创建线程的基本方式是创建一个std::thread对象，并将它与一个可调用对象（如函数、函数对象、lambda表达式等）以及相应的参数关联起来。一旦创建了std::thread对象，线程就会开始执行。例如： ```cpp void task() { // ... 执行任务 ... } std::thread myThread(task); ``` 此外，std::thread对象提供了join和detach两个成员函数，分别用于等待线程结束和让线程独立运行。 ### 知识点三：线程同步 在多线程环境中，多个线程可能需要访问共享资源，这就产生了对同步机制的需求，以避免竞态条件和数据不一致的问题。C++11提供了一系列同步机制，包括互斥锁（mutex）、条件变量（condition_variable）、原子操作等。 #### 互斥锁（mutex） 互斥锁是提供排他访问的同步原语，确保同一时间只有一个线程可以访问某个资源。C++11标准中的<mutex>头文件提供了std::mutex及其相关类（如std::recursive_mutex、std::timed_mutex等）来实现互斥锁。例如： ```cpp std::mutex mtx; void critical_section() { mtx.lock(); // 锁定互斥量 // ... 访问共享资源 ... mtx.unlock(); // 解锁互斥量 } ``` 为了避免忘记解锁导致的死锁问题，推荐使用std::lock_guard或std::unique_lock。 #### 条件变量（condition_variable） 条件变量是线程同步机制，用于阻塞一个或多个线程直到某个条件成立。条件变量通常与互斥锁一起使用，以等待某个条件为真。C++11通过<condition_variable>库提供std::condition_variable类。例如： ```cpp std::mutex mtx; std::condition_variable cv; bool ready = false; void waiting_for_the_condition() { std::unique_lock<std::mutex> lk(mtx); cv.wait(lk, []{ return ready; }); // 使用lambda表达式作为条件 } void signal_condition() { std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx); ready = true; cv.notify_one(); // 通知一个等待条件变量的线程 } ``` #### 原子操作（atomic） 原子操作是不可分割的操作，它保证了在执行期间不会被其他线程中断，这对于实现无锁编程非常有用。C++11提供了<atomic>库，其中包含各种原子类型（如std::atomic、std::atomic_flag等），以及一系列原子操作函数。 ### 知识点四：线程管理 除了创建和同步线程外，C++11还提供了线程管理相关的工具，例如： - 线程局部存储（thread_local）：保证每个线程都有该变量的独立副本，避免数据共享问题。 - 线程识别（std::this_thread）：提供获取当前线程的标识、设置线程名称、获取线程ID等操作。 - 线程优先级和调度（std::thread::hardware_concurrency、std::thread::yield、std::thread::sleep_for）：用于管理线程的执行。 ### 知识点五：C++11多线程高级话题（未在笔记中提及，但通常相关） - 并发算法：C++17引入了并行算法，允许算法的执行使用并发的方式，为算法提供更好的性能。 - future和promise：提供了线程间通信的机制，一个线程可以提供结果给另一个线程。 - 线程池（thread pool）：虽然C++标准库中没有直接提供，但可以通过第三方库或者自定义来实现。 ### 知识点六：多线程编程中的注意事项 - 死锁：多个线程互相等待对方持有的锁，导致无法向前执行。 - 线程安全：确保在多线程访问时，代码和数据保持一致性和正确性。 - 竞态条件：多个线程竞争修改共享数据导致意外情况。 - 资源泄露：由于线程提前结束导致资源未被正确释放。 - 线程过度创建：创建过多线程将消耗大量系统资源，影响程序性能。 综上所述，C++多线程编程是复杂而强大的，掌握这些基础知识是编写可靠多线程应用程序的前提。随着技术的更新，开发者应当跟进C++标准库的发展，合理利用其提供的多线程工具来解决实际问题。