C++线程的使用-工具盒子

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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：

构造函数 {#1-构造函数} =================

|---------------------------|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | 1 2 3 4 5 6 7 8 9 | // 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

公共成员函数 {#2-公共成员函数} =====================

2.1 get_id() {#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：

|-----------|--------------------------------------------------| | 1 | std::thread::id get_id() const noexcept; |

示例程序如下：

|------------------------------------------------------------------------------------------|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 | #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t，func()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() {#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：

|-----------|----------------------| | 1 | 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：

|------------------------------|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | 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：

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 | #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：

|-------------------------|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | 1 2 3 4 5 6 7 8 | 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() {#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：

|-----------|------------------------| | 1 | 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：

|------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | 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() {#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

|-----------|-----------------------------------------| | 1 | bool joinable() const noexcept; |

示例代码如下：

|------------------------------------------------------------------------------|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 | #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：

|-------------------|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | 1 2 3 4 5 | 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= {#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。

|-----------------|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | 1 2 3 4 | // 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

静态函数 {#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。

|-----------|----------------------------------------------------------| | 1 | static unsigned hardware_concurrency() noexcept; |

示例代码如下：

|---------------------------|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | 1 2 3 4 5 6 7 8 9 | #include <iostream> #include <thread> using namespace std; int main() { int num = thread::hardware_concurrency(); cout << "CPU number: " << num << endl; } |