C++线程和线程管理

1. C++ 线程和线程管理

C++11 引入了线程支持，可以通过 std::thread 创建和管理线程。以下是线程管理的关键概念：

1.1 创建线程

使用 std::thread 类来创建一个线程并启动该线程：

#include <iostream> #include <thread> void print_hello() { std::cout << "Hello from thread!" << std::endl; } int main() { std::thread t(print_hello); // 创建线程并执行print_hello函数 t.join(); // 主线程等待子线程执行完成 return 0; } t.join()：会阻塞主线程，直到线程 t 完成其任务。t.detach()：会将线程与主线程分离，主线程不会等待线程的完成。 1.2 线程与主线程分离（detach()） std::thread t(print_hello); t.detach(); // 线程将在后台运行，主线程不再等待它 分离线程意味着主线程无法再与之交互，且程序结束时，分离的线程会被系统自动清理。如果分离的线程在主线程退出时仍然活跃，可能会造成资源泄露或访问未定义行为。 1.3 线程的生命周期

线程的生命周期由创建线程的 std::thread 对象管理。如果线程对象在析构时未调用 join() 或 detach()，程序将抛出异常，提示线程没有正确管理。

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2. 锁和互斥量

在多线程环境中，锁和互斥量用于同步线程访问共享资源，以避免数据竞态和死锁等问题。C++ 提供了多种锁和互斥量类型来应对不同的同步需求。

2.1 std::mutex（互斥量）

std::mutex 是最常用的锁类型，确保同一时刻只有一个线程能访问共享资源。

std::mutex mtx; void print_hello(int id) { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); std::cout << "Thread " << id << " is working" << std::endl; } std::lock_guard：提供 RAII 风格的锁管理，自动加锁和解锁。std::unique_lock：功能更强大，支持手动解锁和锁定、延迟锁定等。 2.2 std::recursive_mutex（递归互斥量）

std::recursive_mutex 允许同一线程多次加锁而不会死锁，适用于递归的场景。

std::recursive_mutex rmtx; void recursive_print(int id, int count) { std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(rmtx); if (count > 0) { std::cout << "Thread " << id << " printing recursively, count: " << count << std::endl; recursive_print(id, count - 1); } } 适合需要递归操作的场景，例如递归函数中的锁保护。 2.3 std::shared_mutex（共享互斥量）

std::shared_mutex 允许多个线程共享读取数据的锁，但写入数据时会独占访问权。

std::shared_mutex smtx; void read_data(int id) { std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(smtx); // 共享锁 std::cout << "Thread " << id << " is reading data." << std::endl; } void write_data(int id) { std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(smtx); // 独占锁 std::cout << "Thread " << id << " is writing data." << std::endl; } std::shared_lock：获取共享锁，多个线程可以同时读取资源。std::unique_lock：获取独占锁，确保只有一个线程能够写入数据。 2.4 std::timed_mutex 和 std::try_lock

std::timed_mutex 允许线程尝试在指定时间内获取锁，而 std::try_lock 则允许线程立即返回尝试锁定结果。

std::timed_mutex tmtx; void try_lock_example() { if (tmtx.try_lock_for(std::chrono::seconds(1))) { std::cout << "Lock acquired successfully" << std::endl; tmtx.unlock(); } else { std::cout << "Lock attempt timed out" << std::endl; } } try_lock_for()：尝试在指定的时间内获取锁。try_lock()：立即返回是否能够成功获取锁。

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3. 线程同步：std::condition_variable

std::condition_variable 用于线程间的通知机制，通过它，线程可以在特定条件发生时被唤醒。主要的两种操作是 notify_one() 和 notify_all()。

3.1 std::condition_variable 基本用法 std::mutex mtx; std::condition_variable cv; void wait_for_data() { std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); cv.wait(lock, []{ return data_ready; }); // 等待条件满足 // 数据准备好后继续执行 } wait()：阻塞当前线程，直到条件变量被通知。notify_one()：唤醒一个等待线程。notify_all()：唤醒所有等待线程。 3.2 notify_one() 和 notify_all() 的区别： notify_one()：唤醒一个线程，适合只需要唤醒一个线程的场景。notify_all()：唤醒所有等待的线程，适合所有线程都需要响应某个条件时。 void producer() { { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); data_ready = true; } cv.notify_all(); // 唤醒所有等待线程 } void consumer(int id) { std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); while (!data_ready) cv.wait(lock); // 等待数据准备好 std::cout << "Consumer " << id << " is processing data" << std::endl; }

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4. 常见的锁类型总结 锁类型适用场景特点std::mutex基本的互斥锁，保护共享资源不被并发访问不可递归，同一时间只有一个线程持有std::recursive_mutex需要递归加锁的场景允许同一线程多次加锁std::shared_mutex读多写少的场景，如缓存系统、数据库读写操作等读线程共享，写线程独占std::timed_mutex需要超时控制的场景可在一定时间内尝试获取锁std::lock_guard用于简化锁的管理，RAII 风格的锁管理自动加锁和解锁std::unique_lock更灵活的锁管理，支持延迟锁定、解锁、重锁等支持手动解锁与重新锁定

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总结 线程创建与管理：C++11 提供了 std::thread 用于创建和管理线程，支持线程同步与并发操作。锁与互斥量：通过 std::mutex、std::recursive_mutex、std::shared_mutex、std::timed_mutex 等锁类型实现线程间资源同步，避免数据竞态。条件变量同步：使用 std::condition_variable 实现线程间的通知和等待机制，notify_one() 和 notify_all() 用于唤醒等待线程。RAII 风格的锁管理：使用 std::lock_guard 和 std::unique_lock 来简化锁的管理，确保锁的自动释放。