C++ std::thread概念介绍

Posted 2022-11-23 yssjun

C++ 11新标准中，正式的为该语言引入了多线程概念。新标准提供了一个线程库thread，通过创建一个thread对象来管理C++程序中的多线程。

本文简单聊一下C++多线程相关的一些概念及thread的基本用法。

0. 并行执行

程序并行执行两个必要条件：

• 多处理器（multiple processors）or 多核处理器（multicore processors）
• 软件并行

软件并发执行可分为两大类：

1. 多线程并发  (同一个进程的多个线程并行)；
2. 多进程并发  (不同进程并行)；

对于多线程，主要关注的是线程间的同步措施，用于确保线程安全；

对于多进程，主要关注的是进程间的通信机制，用于进程间传递消息和数据；

由于C++ 标准中没有多进程之间通信相关的标准，这些只能依赖于特定平台的API。本文只关注多线程相关。

1. C++多线程平台

C++11之前，window和linux平台分别有各自的多线程标准。使用C++编写的多线程往往是依赖于特定平台的。

• Window平台提供用于多线程创建和管理的win32 api；
• Linux下则有POSIX多线程标准，Threads或Pthreads库提供的API可以在类Unix上运行；

在C++11新标准中，可以简单通过使用hread库，来管理多线程。thread库可以看做对不同平台多线程API的一层包装；

因此使用新标准提供的线程库编写的程序是跨平台的。

2. pthread 或 C++ 11 thread

pthreads 是linux下的C++线程库，提供了一些线程相关的操作，比较偏向于底层，对线程的操作也是比较直接和方便的；

#include <pthread.h>
pthread_create (thread, attr, start_routine, arg) 

linux上对于pthread的使用需要连接pthread库(有些编辑器可能需要 -std=c++11)：

g++ source.cpp -lpthread -o source.o 

尽管网上对C++ 11新标准中的thread类有很多吐槽，但是作为C++第一个标准线程库，还是有一些值得肯定的地方的，比如跨平台，使用简单。

而且新标准中可以方便的使用RAII来实现lock的管理等。

如果你想深入研究一下多线程，那么pthread是一个不错的选择。如果想要跨平台或者实现一些简单的多线程场景而不过多关注细节，那么权威的标准库thread是不二之选。

总之没有好与坏之分，适合就好。可以的话可以都了解一下。本文主要介绍后者。

3. 先理论后实践

对于多线程相关的学习，先弄清楚线程相关的一些概念，是很重要的。

比如线程安全、线程同步与互斥关系、线程如何通信、与进程的关系如何等。

不然实际写多线程程序是会碰到太多的问题，例如：

• 程序死锁，无响应；
• 执行结果不符合预期；
• 多线程性能并没有很大提升；
• 理不清程序执行流程；
• 不知道怎么调试；
• 程序运行时好时坏；

光线程安全就有很多理论要了解，这些光靠调试程序，根据结果来猜测是不可行的。

关于多线程相关的概念可以参考我之前以Python为例介绍线程的博文：

• python多线程与多进程及其区别；
• python多线程同步实例分析；

4. thread 多线程实例

看一下C++11 使用标准库thread创建多线程的例子：

 1 #include<iostream>
 2 #include<thread>
 3 #include<string>
 4 
 5 using namespace std;
 6 
 7 int tstart(const string& tname) 
 8     cout << "Thread test! " << tname << endl;
 9     return 0;
10 
11 
12 int main() 
13     thread t(tstart, "C++ 11 thread!");
14     t.join();
15     cout << "Main Function!" << endl;
16 

多线程标准库使用一个thread的对象来管理产生的线程。该例子中线程对象t表示新建的线程。

4.1 标准库创建线程的方式

打开thread头文件，可以清楚的看到thread提供的构造函数。

1. 默认构造函数                                         thread() noexcept; 
2. 接受函数及其传递参数的构造函数   　  template <class _Fn, class... _Args, ...> explicit thread(_Fn&& _Fx, _Args&&... _Ax)
3. move构造函数                                       thread(thread&& _Other) noexcept;
4. 拷贝构造函数                                         thread(const thread&) = delete;
5. 拷贝赋值运算符                                     thread& operator=(const thread&) = delete;

其中拷贝构造函数和拷贝赋值运算符被禁用，意味着std::thread对象不能够被拷贝和赋值到别的thread对象；

默认构造函数构造一个空的thread对象，但是不表示任何线程；

接受参数的构造函数创建一个表示线程的对象，线程从传入的函数开始执行，该对象是joinable的；

move构造函数可以看做将一个thread对象对线程的控制权限转移到另一个thread对象；执行之后，传入的thread对象不表示任何线程；

int main()

    int arg = 0;
    std::thread t1;                        // t1 is not represent a thread
    std::thread t2(func1, arg + 1); 　　　　// pass to thread by value
    std::thread t3(func2, std::ref(arg));  // pass to thread by reference
    std::thread t4(std::move(t3));         // t4 is now running func2(). t3 is no longer a thread
    //t1.join()  Error!
    t2.join();
    //t3.join()  Error!
    t4.join();

多数情况下我们使用的是上面第二种创建线程的方式。下面看一下join和detach。

4.2  join && detach

对于创建的线程，一般会在其销毁前调用join和detach函数；

弄清楚这两个函数的调用时机和意义，以及调用前后线程状态的变化非常重要。

• join 会使当前线程阻塞，直到目标线程执行完毕；
  • 只有处于活动状态线程才能调用join，可以通过joinable()函数检查;
  • joinable() == true表示当前线程是活动线程，才可以调用join函数；
  • 默认构造函数创建的对象是joinable() == false;
  • join只能被调用一次，之后joinable就会变为false，表示线程执行完毕；
  • 调用 ternimate()的线程必须是 joinable() == false;
  • 如果线程不调用join()函数，即使执行完毕也是一个活动线程，即joinable() == true，依然可以调用join()函数；
• detach 将thread对象及其表示的线程分离；
  • 调用detach表示thread对象和其表示的线程完全分离；
  • 分离之后的线程是不在受约束和管制，会单独执行，直到执行完毕释放资源，可以看做是一个daemon线程；
  • 分离之后thread对象不再表示任何线程；
  • 分离之后joinable() == false，即使还在执行；

join实例分析：

int main() 
    thread t(tstart, "C++ 11 thread!");
    cout << t.joinable() << endl;
    if (t.joinable()) t.join();
    //t.detach(); Error
    cout << t.joinable() << endl;
    // t.join(); Error
    cout << "Main Function!" << endl;
    system("pause");

简单来说就是只有处于活动状态的线程才可以调用join，调用返回表示线程执行完毕，joinable() == false.

inline void thread::join()
        // join thread
    if (!joinable())
        _Throw_Cpp_error(_INVALID_ARGUMENT);
    const bool _Is_null = _Thr_is_null(_Thr);    // Avoid Clang -Wparentheses-equality
    ... ...

将上面的t.join()换成是t.detach()会得到相同的结果.

void detach()
       // detach thread
    if (!joinable())
        _Throw_Cpp_error(_INVALID_ARGUMENT);
    _Thrd_detachX(_Thr);
    _Thr_set_null(_Thr);
    

上面是thread文件中对detach的定义，可以看出只有joinable() == true的线程，也就是活动状态的线程才可以调用detach。

~thread() _NOEXCEPT
       // clean up
    if (joinable())
        _XSTD terminate();
    

当线程既没有调用join也没有调用detach的时候，线程执行完毕joinable() == true，那么当thread对象被销毁的时候，会调用terminate()。

4.3 获取线程ID

线程ID是一个线程的标识符，C++标准中提供两种方式获取线程ID；

1. thread_obj.get_id();
2. std::this_thread::get_id()

有一点需要注意，就是空thread对象，也就是不表示任何线程的thread obj调用get_id返回值为0；

此外当一个线程被detach或者joinable() == false时，调用get_id的返回结果也为0。

cout << t.get_id() << ‘ ‘ << this_thread::get_id() << endl;
//t.detach();
t.join();
cout << t.get_id() << ‘ ‘ << std::this_thread::get_id() << endl;

4.4 交换thread表示的线程

除了上面介绍的detach可以分离thread对象及其所表示的线程，或者move到别的线程之外，还可以使用swap来交换两个thread对象表示的线程。

实例来看一下两个线程的交换。

int tstart(const string& tname) 
    cout << "Thread test! " << tname << endl;
    return 0;


int main() 
    thread t1(tstart, "C++ 11 thread_1!");
    thread t2(tstart, "C++ 11 thread_2!");
    cout << "current thread id: " << this_thread::get_id() << endl;
    cout << "before swap: "<< " thread_1 id: " << t1.get_id() << " thread_2 id: " << t2.get_id() << endl;
    t1.swap(t2);
    cout << "after swap: " << " thread_1 id: " << t1.get_id() << " thread_2 id: " << t2.get_id() << endl;
    //t.detach();
    t1.join();
    t2.join();

结果：

Thread test! C++ 11 thread_1!
Thread test! C++ 11 thread_2!
current thread id: 39308
before swap:  thread_1 id: 26240 thread_2 id: 37276
after swap:  thread_1 id: 37276 thread_2 id: 26240

下面是thread::swap函数的实现。

void swap(thread& _Other) _NOEXCEPT
       // swap with _Other
    _STD swap(_Thr, _Other._Thr);
    

可以看到交换的过程仅仅是互换了thread对象所持有的底层句柄；

关于C++ 多线程新标准thread的基本介绍就到这里了，看到这里应该有一个简单的认识了。

关于线程安全和管理等高级话题，后面有空在写文章介绍。