C++ 并发与多线程：从入门到精通

C++ 并发与多线程简介

现代处理器拥有多个核心，为了充分利用其全部性能，程序必须能够同时执行多个任务。并发（concurrency）是指程序在重叠的时间段内执行多个任务的能力，而多线程（multithreading）是实现并发的一种方式，程序被划分为多个并行工作的线程。

C++ 对多线程的支持始于 C++11 标准，此后一直在积极发展。在本文中，我们将探讨所有关键方面：从线程创建到复杂的同步模式。

基础：线程的创建与管理

std::thread —— 基本构建块

std::thread 类允许你在单独的线程中启动一个函数或可调用对象。来看一个最简单的例子：

#include <iostream>#include <thread>

void hello() {    std::cout << "来自线程的问候 "               << std::this_thread::get_id() << std::endl;}

int main() {    std::thread t(hello);   // 启动线程    t.join();               // 等待线程结束    return 0;}

join() 方法强制主线程等待子线程完成。另一种选择是 detach()，它允许线程独立运行，但需要特别小心（线程可能会比创建它的对象存活得更久）。

传递参数与 Lambda 函数

可以向线程传递参数并使用 Lambda 表达式：

#include <thread>#include <string>

void process(int id, const std::string& data) {    // 处理数据}

int main() {    std::thread t1(process, 1, "数据");    std::thread t2([](int x) {        // Lambda 表达式    }, 42);        t1.join();    t2.join();}

线程同步：保护共享数据

当多个线程访问同一数据时，会出现竞态条件（race condition）。为了防止这种情况，需要使用同步机制。

互斥锁（std::mutex）

互斥锁是一种同步原语，它保证在任何时刻只有一个线程可以拥有它：

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

std::mutex mtx;int counter = 0;

void increment() {    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);        ++counter;  // 受保护的访问    }}

int main() {    std::thread t1(increment);    std::thread t2(increment);        t1.join();    t2.join();        std::cout << "计数器: " << counter << std::endl;    return 0;}

std::lock_guard 是一个 RAII 封装器，它在创建时自动锁定互斥锁，在销毁时自动释放。这可以防止意外忘记释放互斥锁。

条件变量（std::condition_variable）

条件变量允许线程等待特定事件的发生：

#include <queue>#include <condition_variable>

std::queue<int> data_queue;std::mutex queue_mutex;std::condition_variable cv;

void producer() {    for (int i = 0; i < 10; ++i) {        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));        std::lock_guard<std::mutex> lock(queue_mutex);        data_queue.push(i);        cv.notify_one();  // 通知消费者    }}

void consumer() {    while (true) {        std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);        cv.wait(lock, []{ return !data_queue.empty(); });                int value = data_queue.front();        data_queue.pop();        lock.unlock();                // 处理