浅谈C++之多线程实现

一、基本介绍

        传统的C++（C++11之前）中并没有引入线程这个概念，在C++11出来之前，如果我们想要在C++中实现多线程，需要借助操作系统平台提供的API，比如Linux的<pthread.h>，或者windows下的<windows.h> 。

        C++11提供了语言层面上的多线程，包含在头文件<thread>中。它解决了跨平台的问题，提供了管理线程、保护共享数据、线程间同步操作、原子操作等类。

二、实现方式

C++11标准库中的<thread>库：

C++11引入了对多线程的原生支持，可以通过std::thread类来创建和管理线程。

#include <thread>
#include <iostream>

void hello() {
    std::cout << "Hello from thread" << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t(hello);
    t.join();
    return 0;
}

C++11标准库中的<future>库：

std::future和std::async可以用来异步地获取线程的执行结果。

#include <future>
#include <iostream>

int compute() {
    return 42;
}

int main() {
    std::future<int> result = std::async(std::launch::async, compute);
    std::cout << "The result is " << result.get() << std::endl;
    return 0;
}

C++11标准库中的<mutex>库：

用于线程同步，包括互斥锁（std::mutex）、递归锁（std::recursive_mutex）、时间锁（std::timed_mutex）、共享锁（std::shared_mutex）等。

#include <mutex>
#include <iostream>

std::mutex mtx;
int counter = 0;

void increment() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    ++counter;
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "Counter: " << counter << std::endl;
    return 0;
}

C++11标准库中的<condition_variable>库：

用于线程间的同步，允许一个或多个线程等待特定条件的发生。

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void print_id(int id) {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    while (!ready) { cv.wait(lock); }
    std::cout << "Thread " << id << '\n';
}

void go() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    ready = true;
    cv.notify_all();
}

int main() {
    std::thread threads[10];
    // 启动10个线程
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
        threads[i] = std::thread(print_id, i);
    std::cout << "10 threads ready to race...\n";
    go(); // 准备开始
    for (auto& th : threads) th.join();
}

C++20中的协程：

C++20引入了协程，提供了一种更高级的异步编程模型。

#include <iostream>
#include <coroutine>
#include <thread>

generator<int> GetNumbers() {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
        co_yield i;
    }
}

int main() {
    for (auto n : GetNumbers()) {
        std::cout << n << std::endl;
    }
    return 0;
}

使用第三方库：

如Boost库中的线程库（boost::thread），提供了在C++11之前实现多线程的方法。

#include <boost/thread.hpp>
#include <iostream>

void hello() {
    std::cout << "Hello from Boost thread" << std::endl;
}

int main() {
    boost::thread t(hello);
    t.join();
    return 0;
}

操作系统级别的线程库：

如Windows的WinAPI中的线程函数（CreateThread）或POSIX线程（pthreads）。

// POSIX threads example
#include <pthread.h>
#include <iostream>

void* hello(void* arg) {
    std::cout << "Hello from POSIX thread" << std::endl;
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, hello, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}