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1. C++中的并发与多线程

C++标准并没有提供对多进程并发的原生支持，所以C++的多进程并发要靠其他API——这需要依赖相关平台。
C++11 标准提供了一个新的线程库，内容包括了管理线程、保护共享数据、线程间的同步操作、低级原子操作等各种类。标准极大地提高了程序的可移植性，以前的多线程依赖于具体的平台，而现在有了统一的接口进行实现。

C++11 新标准中引入了几个头文件来支持多线程编程：

< thread > :包含std::thread类以及std::this_thread命名空间。管理线程的函数和类在中声明.
< atomic > :包含std::atomic和std::atomic_flag类，以及一套C风格的原子类型和与C兼容的原子操作的函数。
< mutex > :包含了与互斥量相关的类以及其他类型和函数
< future > :包含两个Provider类（std::promise和std::package_task）和两个Future类（std::future和std::shared_future）以及相关的类型和函数。
< condition_variable > :包含与条件变量相关的类，包括std::condition_variable和std::condition_variable_any。

知识链接：

C++11 并发之std::mutex

C++11 并发之std::atomic

本文概要：

1、成员类型和成员函数。

2、std::thread 构造函数。

3、异步。

4、多线程传递参数。

5、join、detach。

6、获取CPU核心个数。

7、CPP原子变量与线程安全。

8、lambda与多线程。

9、时间等待相关问题。

10、线程功能拓展。

11、多线程可变参数。

12、线程交换。

13、线程移动。

std::thread 在 #include<thread> 头文件中声明，因此使用 std::thread 时需要包含 #include<thread> 头文件。

1、成员类型和成员函数。

成员类型：

id: Thread id (public member type ) id

native_handle_type: Native handle type (public member type )

成员函数：

(constructor): Construct thread (public member function ) 构造函数

(destructor): Thread destructor (public member function ) 析构函数

operator=: Move-assign thread (public member function ) 赋值重载

get_id: Get thread id (public member function ) 获取线程id

joinable: Check if joinable (public member function ) 判断线程是否可以加入等待

join: Join thread (public member function ) 加入等待

detach: Detach thread (public member function ) 分离线程

swap: Swap threads (public member function ) 线程交换

native_handle: Get native handle (public member function ) 获取线程句柄

hardware_concurrency [static]: Detect hardware concurrency (public static member function ) 检测硬件并发特性

Non-member overloads：

swap (thread): Swap threads (function )

2、std::thread 构造函数。

如下表：

default (1): thread() noexcept;

initialization(2): template <class Fn, class... Args> explicit thread (Fn&& fn, Args&&... args);

copy [deleted] (3): thread (const thread&) = delete;

move [4]: hread (thread&& x) noexcept;

(1).默认构造函数，创建一个空的 thread 执行对象。

(2).初始化构造函数，创建一个 thread 对象，该 thread 对象可被 joinable，新产生的线程会调用 fn 函数，该函数的参数由 args 给出。

(3).拷贝构造函数（被禁用），意味着 thread 不可被拷贝构造。

(4).move 构造函数，move 构造函数，调用成功之后 x 不代表任何 thread 执行对象。

注意：可被 joinable 的 thread 对象必须在他们销毁之前被主线程 join 或者将其设置为 detached。

std::thread 各种构造函数例子如下：

#include<iostream>  
#include<thread>  
#include<chrono>  
using namespace std;  
void fun1(int n)  //初始化构造函数  
{  
    cout << "Thread " << n << " executing\n";  
    n += 10;  
    this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(10));  
}  
void fun2(int & n) //拷贝构造函数  
{  
    cout << "Thread " << n << " executing\n";  
    n += 20;  
    this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(10));  
}  
int main()  
{  
    int n = 0;  
    thread t1;               //t1不是一个thread  
    thread t2(fun1, n + 1);  //按照值传递  
    t2.join();  
    cout << "n=" << n << '\n';  
    n = 10;  
    thread t3(fun2, ref(n)); //引用  
    thread t4(move(t3));     //t4执行t3，t3不是thread  
    t4.join();  
    cout << "n=" << n << '\n';  
    return 0;  
}  

输出结果：

Thread 1 executing
n=0
Thread 10 executing
n=30

3、异步。

例如：

 1 #include<iostream>  
 2 #include<thread>  
 3 using namespace std;  
 4 void show()  
 5 {  
 6     cout << "hello cplusplus!" << endl;  
 7 }  
 8 int main()  
 9 {  
10     //栈上  
11     thread t1(show);   //根据函数初始化执行  
12     thread t2(show);  
13     thread t3(show);  
14     //线程数组  
15     thread th[3]{thread(show), thread(show), thread(show)};   
16     //堆上  
17     thread *pt1(new thread(show));  
18     thread *pt2(new thread(show));  
19     thread *pt3(new thread(show));  
20     //线程指针数组  
21     thread *pth(new thread[3]{thread(show), thread(show), thread(show)});  
22     return 0;  
23 }

4、多线程传递参数。

例如：

#include<iostream>  
#include<thread>  
using namespace std;  
void show(const char *str, const int id)  
{  
    cout << "线程 " << id + 1 << " ：" << str << endl;  
}  
int main()  
{  
    thread t1(show, "hello cplusplus!", 0);  
    thread t2(show, "你好，C++！", 1);  
    thread t3(show, "hello!", 2);  
    return 0;  
}

发现，线程 t1、t2、t3 都执行成功！

5、join、detach。

join例子如下：

 1 #include<iostream>  
 2 #include<thread>  
 3 #include<array>  
 4 using namespace std;  
 5 void show()  
 6 {  
 7     cout << "hello cplusplus!" << endl;  
 8 }  
 9 int main()  
10 {  
11     array<thread, 3>  threads = { thread(show), thread(show), thread(show) };  
12     for (int i = 0; i < 3; i++)  
13     {  
14         cout << threads[i].joinable() << endl;//判断线程是否可以join  
15         threads[i].join();//主线程等待当前线程执行完成再退出  
16     }  
17     return 0;  
18 } 

输出结果：

hello cplusplus!
hello cplusplus!
hello cplusplus!
1
1
1

总结：

join 是让当前主线程等待所有的子线程执行完，才能退出。

detach例子如下：

 1 #include<iostream>  
 2 #include<thread>  
 3 using namespace std;  
 4 void show()  
 5 {  
 6     cout << "hello cplusplus!" << endl;  
 7 }  
 8 int main()  
 9 {  
10     thread th(show);  
11     //th.join();   
12     th.detach();//脱离主线程的绑定，主线程挂了，子线程不报错，子线程执行完自动退出。  
13     //detach以后，子线程会成为孤儿线程，线程之间将无法通信。  
14     cout << th.joinable() << endl;  
15     return 0;  
16 }  

输出结果：

hello cplusplus!0

结论：

线程 detach 脱离主线程的绑定，主线程挂了，子线程不报错，子线程执行完自动退出。

线程 detach以后，子线程会成为孤儿线程，线程之间将无法通信。

6、获取CPU核心个数。

例如：

#include<iostream>  
#include<thread>  
using namespace std;  
int main()  
{  
    auto n = thread::hardware_concurrency();//获取cpu核心个数  
    cout << n << endl;  
    return 0;  
}

结论：

通过 thread::hardware_concurrency() 获取 CPU 核心的个数。

7、CPP原子变量与线程安全。

问题例如：

#include<iostream>  
#include<thread>  
using namespace std;  
const int N = 100000000;  
int num = 0;  
void run()  
{  
    for (int i = 0; i < N; i++)  
    {  
        num++;  
    }  
}  
int main()  
{  
    clock_t start = clock();  
    thread t1(run);  
    thread t2(run);  
    t1.join();  
    t2.join();  
    clock_t end = clock();  
    cout << "num=" << num << ",用时 " << end - start << " ms" << endl;  
    return 0;  
}

从上述代码执行的结果，发现结果并不是我们预计的200000000，这是由于线程之间发生冲突，从而导致结果不正确。

为了解决此问题，有以下方法：

（1）互斥量。

例如：

#include<iostream>  
#include<thread>  
#include<mutex>  
using namespace std;  
const int N = 100000000;  
int num(0);  
mutex m;  
void run()  
{  
    for (int i = 0; i < N; i++)  
    {  
        m.lock();  
        num++;  
        m.unlock();  
    }  
}  
int main()  
{  
    clock_t start = clock();  
    thread t1(run);  
    thread t2(run);  
    t1.join();  
    t2.join();  
    clock_t end = clock();  
    cout << "num=" << num << ",用时 " << end - start << " ms" << endl;  
    return 0;  
}

不难发现，通过互斥量后运算结果正确，但是计算速度很慢，原因主要是互斥量加解锁需要时间。

互斥量详细内容请参考 C++11 并发之std::mutex。

（2）原子变量。

例如：

#include<iostream>  
#include<thread>  
#include<atomic>  
using namespace std;  
const int N = 100000000;  
atomic_int num{ 0 };//不会发生线程冲突，线程安全  
void run()  
{  
    for (int i = 0; i < N; i++)  
    {  
        num++;  
    }  
}  
int main()  
{  
    clock_t start = clock();  
    thread t1(run);  
    thread t2(run);  
    t1.join();  
    t2.join();  
    clock_t end = clock();  
    cout << "num=" << num << ",用时 " << end - start << " ms" << endl;  
    return 0;  
}

不难发现，通过原子变量后运算结果正确，计算速度一般。

原子变量详细内容请参考C++11 并发之std::atomic。

（3）加入 join 。

例如：

#include<iostream>  
#include<thread>  
using namespace std;  
const int N = 100000000;  
int num = 0;  
void run()  
{  
    for (int i = 0; i < N; i++)  
    {  
        num++;  
    }  
}  
int main()  
{  
    clock_t start = clock();  
    thread t1(run);  
    t1.join();  
    thread t2(run);  
    t2.join();  
    clock_t end = clock();  
    cout << "num=" << num << ",用时 " << end - start << " ms" << endl;  
    return 0;  
}  

输出结果：

num=200000000,用时 431 ms

不难发现，通过原子变量后运算结果正确，计算速度也很理想。