C++ std::thread概念介绍
C++ 11新标准中，正式的为该语言引入了多线程概念。新标准提供了一个线程库thread，通过创建一个thread对象来管理C++程序中的多线程。
本文简单聊一下C++多线程相关的一些概念及thread的基本用法。
0. 并行执行
程序并行执行两个必要条件：
- 多处理器（multiple processors）or 多核处理器（multicore processors）
- 软件并行
软件并发执行可分为两大类：
- 多线程并发 (同一个进程的多个线程并行)；
- 多进程并发 (不同进程并行)；
对于多线程，主要关注的是线程间的同步措施，用于确保线程安全；
对于多进程，主要关注的是进程间的通信机制，用于进程间传递消息和数据；
由于C++ 标准中没有多进程之间通信相关的标准，这些只能依赖于特定平台的API。本文只关注多线程相关。
1. C++多线程平台
C++11之前，window和linux平台分别有各自的多线程标准。使用C++编写的多线程往往是依赖于特定平台的。
- Window平台提供用于多线程创建和管理的win32 api；
- Linux下则有POSIX多线程标准，Threads或Pthreads库提供的API可以在类Unix上运行；
在C++11新标准中，可以简单通过使用hread库，来管理多线程。thread库可以看做对不同平台多线程API的一层包装；
因此使用新标准提供的线程库编写的程序是跨平台的。
2. pthread 或 C++ 11 thread
pthreads 是linux下的C++线程库，提供了一些线程相关的操作，比较偏向于底层，对线程的操作也是比较直接和方便的；
#include <pthread.h>
pthread_create (thread, attr, start_routine, arg)
linux上对于pthread的使用需要连接pthread库(有些编辑器可能需要 -std=c++11)：
g++ source.cpp -lpthread -o source.o
尽管网上对C++ 11新标准中的thread类有很多吐槽，但是作为C++第一个标准线程库，还是有一些值得肯定的地方的，比如跨平台，使用简单。
而且新标准中可以方便的使用RAII来实现lock的管理等。
如果你想深入研究一下多线程，那么pthread是一个不错的选择。如果想要跨平台或者实现一些简单的多线程场景而不过多关注细节，那么权威的标准库thread是不二之选。
总之没有好与坏之分，适合就好。可以的话可以都了解一下。本文主要介绍后者。
3. 先理论后实践
对于多线程相关的学习，先弄清楚线程相关的一些概念，是很重要的。
比如线程安全、线程同步与互斥关系、线程如何通信、与进程的关系如何等。
不然实际写多线程程序是会碰到太多的问题，例如：
- 程序死锁，无响应；
- 执行结果不符合预期；
- 多线程性能并没有很大提升；
- 理不清程序执行流程；
- 不知道怎么调试；
- 程序运行时好时坏；
光线程安全就有很多理论要了解，这些光靠调试程序，根据结果来猜测是不可行的。
关于多线程相关的概念可以参考我之前以Python为例介绍线程的博文：
4. thread 多线程实例
看一下C++11 使用标准库thread创建多线程的例子：
1 #include<iostream> 2 #include<thread> 3 #include<string> 4 5 using namespace std; 6 7 int tstart(const string& tname) { 8 cout << "Thread test! " << tname << endl; 9 return 0; 10 } 11 12 int main() { 13 thread t(tstart, "C++ 11 thread!"); 14 t.join(); 15 cout << "Main Function!" << endl; 16 }
多线程标准库使用一个thread的对象来管理产生的线程。该例子中线程对象t表示新建的线程。
4.1 标准库创建线程的方式
打开thread头文件，可以清楚的看到thread提供的构造函数。
- 默认构造函数 thread() noexcept;
- 接受函数及其传递参数的构造函数 template <class _Fn, class... _Args, ...> explicit thread(_Fn&& _Fx, _Args&&... _Ax)
- move构造函数 thread(thread&& _Other) noexcept;
- 拷贝构造函数 thread(const thread&) = delete;
- 拷贝赋值运算符 thread& operator=(const thread&) = delete;
其中拷贝构造函数和拷贝赋值运算符被禁用，意味着std::thread对象不能够被拷贝和赋值到别的thread对象；
默认构造函数构造一个空的thread对象，但是不表示任何线程；
接受参数的构造函数创建一个表示线程的对象，线程从传入的函数开始执行，该对象是joinable的；
move构造函数可以看做将一个thread对象对线程的控制权限转移到另一个thread对象；执行之后，传入的thread对象不表示任何线程；
int main() { int arg = 0; std::thread t1; // t1 is not represent a thread std::thread t2(func1, arg + 1); // pass to thread by value std::thread t3(func2, std::ref(arg)); // pass to thread by reference std::thread t4(std::move(t3)); // t4 is now running func2(). t3 is no longer a thread //t1.join() Error! t2.join(); //t3.join() Error! t4.join(); }
多数情况下我们使用的是上面第二种创建线程的方式。下面看一下join和detach。
4.2 join && detach
对于创建的线程，一般会在其销毁前调用join和detach函数；
弄清楚这两个函数的调用时机和意义，以及调用前后线程状态的变化非常重要。
- join 会使当前线程阻塞，直到目标线程执行完毕；
- 只有处于活动状态线程才能调用join，可以通过joinable()函数检查;
- joinable() == true表示当前线程是活动线程，才可以调用join函数；
- 默认构造函数创建的对象是joinable() == false;
- join只能被调用一次，之后joinable就会变为false，表示线程执行完毕；
- 调用 ternimate()的线程必须是 joinable() == false;
- 如果线程不调用join()函数，即使执行完毕也是一个活动线程，即joinable() == true，依然可以调用join()函数；
- detach 将thread对象及其表示的线程分离；
- 调用detach表示thread对象和其表示的线程完全分离；
- 分离之后的线程是不在受约束和管制，会单独执行，直到执行完毕释放资源，可以看做是一个daemon线程；
- 分离之后thread对象不再表示任何线程；
- 分离之后joinable() == false，即使还在执行；
join实例分析：
int main() { thread t(tstart, "C++ 11 thread!"); cout << t.joinable() << endl; if (t.joinable()) t.join(); //t.detach(); Error cout << t.joinable() << endl; // t.join(); Error cout << "Main Function!" << endl; system("pause"); }
简单来说就是只有处于活动状态的线程才可以调用join，调用返回表示线程执行完毕，joinable() == false.
inline void thread::join() { // join thread if (!joinable()) _Throw_Cpp_error(_INVALID_ARGUMENT); const bool _Is_null = _Thr_is_null(_Thr); // Avoid Clang -Wparentheses-equality ... ... }
将上面的t.join()换成是t.detach()会得到相同的结果.
void detach() { // detach thread if (!joinable()) _Throw_Cpp_error(_INVALID_ARGUMENT); _Thrd_detachX(_Thr); _Thr_set_null(_Thr); }
上面是thread文件中对detach的定义，可以看出只有joinable() == true的线程，也就是活动状态的线程才可以调用detach。
~thread() _NOEXCEPT { // clean up if (joinable()) _XSTD terminate(); }
当线程既没有调用join也没有调用detach的时候，线程执行完毕joinable() == true，那么当thread对象被销毁的时候，会调用terminate()。
4.3 获取线程ID
线程ID是一个线程的标识符，C++标准中提供两种方式获取线程ID；
- thread_obj.get_id();
- std::this_thread::get_id()
有一点需要注意，就是空thread对象，也就是不表示任何线程的thread obj调用get_id返回值为0；
此外当一个线程被detach或者joinable() == false时，调用get_id的返回结果也为0。
cout << t.get_id() << ' ' << this_thread::get_id() << endl; //t.detach(); t.join(); cout << t.get_id() << ' ' << std::this_thread::get_id() << endl;
4.4 交换thread表示的线程
除了上面介绍的detach可以分离thread对象及其所表示的线程，或者move到别的线程之外，还可以使用swap来交换两个thread对象表示的线程。
实例来看一下两个线程的交换。
int tstart(const string& tname) { cout << "Thread test! " << tname << endl; return 0; } int main() { thread t1(tstart, "C++ 11 thread_1!"); thread t2(tstart, "C++ 11 thread_2!"); cout << "current thread id: " << this_thread::get_id() << endl; cout << "before swap: "<< " thread_1 id: " << t1.get_id() << " thread_2 id: " << t2.get_id() << endl; t1.swap(t2); cout << "after swap: " << " thread_1 id: " << t1.get_id() << " thread_2 id: " << t2.get_id() << endl; //t.detach(); t1.join(); t2.join(); }
结果：
Thread test! C++ 11 thread_1! Thread test! C++ 11 thread_2! current thread id: 39308 before swap: thread_1 id: 26240 thread_2 id: 37276 after swap: thread_1 id: 37276 thread_2 id: 26240
下面是thread::swap函数的实现。
void swap(thread& _Other) _NOEXCEPT { // swap with _Other _STD swap(_Thr, _Other._Thr); }
可以看到交换的过程仅仅是互换了thread对象所持有的底层句柄；
关于C++ 多线程新标准thread的基本介绍就到这里了，看到这里应该有一个简单的认识了。
关于线程安全和管理等高级话题，后面有空在写文章介绍。
