随着多核处理器的普及，多线程编程成为现代 C++ 开发中的关键技能。C++11 引入了强大的线程库，使得多线程编程更安全、更高效。本文将带你深入了解 C++ 中的多线程编程，从基础概念到实际案例，逐步掌握如何用现代 C++ 编写高效的多线程程序。
一、多线程的基础概念
多线程是一种并发编程技术，通过在单个程序中同时运行多个线程来提高效率。每个线程是独立的执行流，但共享同一进程的内存空间。
为什么需要多线程？
- 提升性能：利用多核 CPU 的计算能力并行执行任务。
- 响应式设计：在 GUI 或网络编程中保持界面的流畅性。
- 任务分解：将复杂的任务拆分为多个线程，提高代码的清晰度和执行效率。
二、C++11 中的多线程支持
C++11 标准库引入了以下多线程相关的核心组件：
std::thread：创建和管理线程。std::mutex和std::lock_guard：用于线程间的同步，防止数据竞争。std::condition_variable：实现线程间的协调与通信。std::future和std::promise：提供线程间的结果传递与异步操作支持。
三、代码实例
1. 使用 std::thread 创建线程
示例：简单的多线程程序
#include <iostream>
#include <thread>
void printMessage(const std::string& message, int count) {
for (int i = 0; i < count; ++i) {
std::cout << message << " " << i << std::endl;
}
}
int main() {
std::thread t1(printMessage, "Thread 1", 5);
std::thread t2(printMessage, "Thread 2", 5);
t1.join(); // 等待 t1 完成
t2.join(); // 等待 t2 完成
std::cout << "All threads finished!" << std::endl;
return 0;
}
输出示例：
线程的输出可能交错：
Thread 1 0
Thread 2 0
Thread 1 1
Thread 2 1
...
All threads finished!
2. 使用 std::mutex 防止数据竞争
当多个线程访问共享数据时，必须保护临界区，防止数据竞争。
示例：线程安全的计数器
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
int counter = 0;
std::mutex mtx;
void increment(int iterations) {
for (int i = 0; i < iterations; ++i) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 自动加锁和解锁
++counter;
}
}
int main() {
std::thread t1(increment, 1000);
std::thread t2(increment, 1000);
t1.join();
t2.join();
std::cout << "Final counter value: " << counter << std::endl;
return 0;
}
输出：
Final counter value: 2000
3. 使用 std::condition_variable 实现线程间的通信
示例：生产者-消费者模型
#include <iostream>
#include <thread>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
std::queue<int> dataQueue;
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool done = false;
void producer() {
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
dataQueue.push(i);
std::cout << "Produced: " << i << std::endl;
cv.notify_one();
}
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
done = true;
cv.notify_all();
}
}
void consumer() {
while (true) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, [] { return !dataQueue.empty() || done; });
while (!dataQueue.empty()) {
int value = dataQueue.front();
dataQueue.pop();
std::cout << "Consumed: " << value << std::endl;
}
if (done) break;
}
}
int main() {
std::thread prod(producer);
std::thread cons(consumer);
prod.join();
cons.join();
return 0;
}
输出：
Produced: 0
Produced: 1
...
Consumed: 0
Consumed: 1
...
四、C++ 多线程的注意事项
- 数据竞争：多个线程访问共享资源时，必须使用
std::mutex保护。 - 死锁：避免多个线程同时尝试获取多个锁导致的死锁问题，建议使用
std::lock或 RAII 工具如std::lock_guard。 - 性能损耗：线程的创建与上下文切换有一定开销，线程数应与硬件能力匹配。
- 使用线程池：对于大量小任务，建议使用线程池（如
std::async或第三方库）。
五、总结
C++ 的多线程编程通过 std::thread 和相关工具提供了强大的并发能力。通过合理使用这些工具，开发者可以编写出高效、安全的多线程程序。在实际应用中，我们需要根据任务特点选择适当的同步和通信方式，同时警惕多线程编程中的常见陷阱。