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C++20标准对线程库的改进：更安全、更高效的并发编程

article 2024/9/24 12:31:22

引言

C++20 是 C++ 语言的一个重要里程碑，它引入了许多新特性，其中就包括对线程库（thread）的重大改进。这些改进不仅增强了语言的并发编程能力，还解决了先前版本中的一些痛点问题。本文将详细介绍 C++20 在线程方面的改进，并探讨这些改进如何使 C++ 语言变得更加安全和高效。

C++20线程改进概述

C++20 对线程库的主要改进集中在以下几个方面：

std::jthread 类型
线程中断机制
线程同步与协作

`std::jthread` 类型

在 C++20 中，引入了一个新的线程类型 std::jthread（joining thread）。与之前的 std::thread 相比，std::jthread 提供了以下优势：

线程绑定：std::jthread 在创建时会自动绑定到一个函数，确保该线程在完成其工作之前不会被销毁。这意味着你不需要显式调用 join() 或 detach() 方法来管理线程的生命周期。
线程中断：std::jthread 支持线程中断机制，允许在主线程中请求中断某个子线程，从而更安全地处理异常情况或取消长时间运行的任务。

下面是一个简单的示例，展示了如何使用 std::jthread 创建一个线程，并请求中断该线程：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>

void worker(std::jthread &jt) {
    try {
        std::cout << "Worker thread running..." << std::endl;
        for (int i = 0; i < 10; ++i) {
            if (jt.request_stop()) {
                std::cout << "Interrupt requested!" << std::endl;
                break;
            }
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
        }
    } catch (std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception caught: " << e.what() << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::jthread jt(worker, std::ref(jt));

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));
    jt.request_stop();  // 请求中断子线程
    std::cout << "Interrupt requested from main thread." << std::endl;

    // 等待线程结束
    jt.join();

    return 0;
}

在这个示例中，worker 函数是一个线程的工作函数，它通过检查 jt.request_stop() 来判断是否有中断请求。如果检测到中断请求，则提前终止循环。主函数中通过 request_stop() 请求中断子线程。

线程中断机制

线程中断机制是 std::jthread 的一个重要特性。通过 request_stop() 方法，主线程可以请求中断子线程。子线程通过检查 request_stop() 的返回值来决定是否继续执行。

这种机制使得线程管理更加安全，因为你可以确保线程会在适当的时间停止执行。这对于处理长时间运行的任务尤其有用，因为你可以在需要时优雅地取消这些任务。

线程同步与协作

除了 std::jthread 的改进外，C++20 还引入了对线程同步的一些改进，使得线程之间的协作更加高效和安全。

std::stop_token 和 std::stop_source：这两个类型提供了线程中断的支持。std::stop_source 用于生成中断请求，而 std::stop_token 用于接收中断请求。
std::stop_callback：这个类型可以注册一个回调函数，当线程被请求中断时，该回调函数会被调用。这使得你可以在线程中断时执行清理操作或其他必要的任务。

解决的痛点

C++20 对线程库的改进解决了许多以前版本中存在的痛点问题：

线程生命周期管理：在 C++11 和 C++14 中，线程的生命周期管理较为繁琐，需要手动调用 join() 或 detach() 方法。std::jthread 自动管理线程的生命周期，使得代码更加简洁和安全。
线程中断：以前的版本中缺乏线程中断机制，使得处理长时间运行的任务时容易出现问题。std::jthread 的中断机制使得线程管理更加灵活和安全。
线程同步：新的同步工具使得线程之间的协作更加高效，减少了死锁和竞态条件的风险。