C++中的并发与多线程：现代方法与示例

C++中的并发与多线程：从基础到现代标准

现代应用程序越来越需要同时执行多个任务。无论是处理服务器上的用户请求、渲染图形还是处理大数据——C++中的并发和多线程已成为开发者的必备技能。在本文中，我们将介绍C++标准库中从C++11到C++20的关键机制。您将学习如何创建线程、同步线程操作以及避免常见错误。

如果您已经熟悉C++基础知识，但想更深入地了解并行编程——本文适合您。我们不会深入探讨操作系统理论，而是专注于实用工具：std::thread、std::mutex、std::async和原子操作。

1. 多线程基础：std::thread与线程管理

在C++11中，通过std::thread类提供了标准的线程支持。创建新线程时，可以向构造函数传递可调用对象——函数、lambda表达式或函数对象。

#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);  // 创建线程    t.join();              // 等待线程结束    return 0;}

务必为每个创建的线程调用join()或detach()，否则当std::thread对象销毁时程序会异常终止。join()会阻塞当前线程直到子线程结束，而detach()允许线程独立运行。

要向线程传递参数，请使用构造函数的额外参数：

#include <thread>#include <string>

void print_sum(int a, int b, const std::string& msg) {    std::cout << msg << ": " << (a + b) << std::endl;}

int main() {    std::thread t(print_sum, 3, 4, "总和");    t.join();    return 0;}

请注意：参数会被复制到线程内部。如果需要传递引用，请使用std::ref()。

2. 线程同步：互斥锁与锁

当多个线程操作共享数据时，会出现数据竞争（data race）。为了避免这种情况，需要使用同步机制。主要工具是std::mutex。

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

std::mutex mtx;int shared_counter = 0;

void increment() {    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {        mtx.lock();        ++shared_counter;        mtx.unlock();    }}

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

然而手动调用lock()和unlock()容易出错：如果在两者之间发生异常，互斥锁将保持锁定状态。最好使用RAII包装器std::lock_guard或std::unique_lock：

void increment() {    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);        ++shared_counter;    }  // 离开作用域时自动解锁}

对于更灵活的控制（例如条件锁定），请使用std::unique_lock。如果需要同步多个互斥锁而不发生死锁，请使用std::lock()。

3. 异步任务：std::async与std::future

手动管理线程并不总是方便。