C++ 线程的使用

C语言与CPP编程 2021-09-16 08:35

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:

1. 构造函数

// 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

2. 公共成员函数

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:

std::thread::id get_id() const noexcept;

示例程序如下:

#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;
}
  1. 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
  1. 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()
  2. 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()

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:

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:

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:

#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:

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。

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:

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:

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()

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
bool joinable() const noexcept;

示例代码如下:

#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:

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=

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。

// 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

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。

static unsigned hardware_concurrency() noexcept;

示例代码如下:

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

int main()
{
    int num = thread::hardware_concurrency();
    cout << "CPU number: " << num << endl;
}

4. C 线程库

C 语言提供的线程库不论在 window 还是 Linux 操作系统中都是可以使用的,看明白了这些 C 语言中的线程函数之后会发现它和上面的 C++ 线程类使用很类似(其实就是基于面向对象的思想进行了封装),但 C++ 的线程类用起来更简单一些,链接奉上,感兴趣的可以一看。

C语言线程库的使用

文章链接:https://subingwen.com/cpp/thread/

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