C++多线程入门

程序喵大人

817人浏览 · 2025-12-15 20:45:00

程序喵大人 · 2025-12-15 20:45:00 发布

博主介绍：程序喵大人

35 - 资深C/C++/Rust/Android/iOS客户端开发
10年大厂工作经验
嵌入式/人工智能/自动驾驶/音视频/游戏开发入门级选手
《C++20高级编程》《C++23高级编程》等多本书籍著译者
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C++11 多线程相关的知识点

本文目录：

如何创建线程
如何加锁
如何使用原子操作
如何使用条件变量
如何优雅的执行异步任务

如何创建线程

C++11之前你可能使用pthread_xxx来创建线程，繁琐且不易读，C++11引入了std::thread来创建线程，支持对线程join或者detach。直接看代码：

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

int main() {
    auto func = []() { 
        for (int i = 0; i < 10; ++i) { 
            cout << i << " "; 
        } 
        cout << endl; 
    };
    
    std::thread t(func); 
    if (t.joinable()) { 
        t.detach(); 
    }

    auto func1 = [](int k) { 
        for (int i = 0; i < k; ++i) { 
            cout << i << " "; 
        } 
        cout << endl; 
    };
    
    std::thread tt(func1, 20); 
    if (tt.joinable()) { // 检查线程可否被join  
        tt.join(); 
    }
    
    return 0;
}

上述代码中，函数func和func1运行在线程对象t和tt中，从刚创建对象开始就会新建一个线程用于执行函数，调用join函数将会阻塞主线程，直到线程函数执行结束，线程函数的返回值将会被忽略。如果不希望线程被阻塞执行，可以调用线程对象的detach函数，表示将线程和线程对象分离，新的线程与主线程没有任何关联，线程资源在任务结束后会由操作系统自动回收。

如果没有调用join或者detach函数，假如线程函数执行时间较长，此时线程对象的生命周期结束调用析构函数清理资源，这时可能会发生crash，这里有两种解决办法，一个是调用join()，保证线程函数的生命周期和线程对象的生命周期相同，另一个是调用detach()，将线程和线程对象分离，这里需要注意，如果线程已经和对象分离，那我们就再也无法控制线程什么时候结束了，不能再通过join来等待线程执行完。

C++11还提供了获取线程id，或者系统cpu个数，获取thread native_handle，让线程休眠等功能：

std::thread t(func);
cout << "当前线程ID " << t.get_id() << endl;
cout << "当前cpu个数 " << std::thread::hardware_concurrency() << endl;
auto handle = t.native_handle(); // handle可用于pthread相关操作
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

如何加锁

在C++11中，加锁可以使用std::mutex，mutex主要有四种：

std::mutex：独占的互斥量，不能递归使用，不带超时功能
std::recursive_mutex：递归互斥量，可重入，不带超时功能
std::timed_mutex：带超时的互斥量，不能递归
std::recursive_timed_mutex：带超时的互斥量，可以递归使用

最常用的就是std::mutex，其它三种我也没用过：

std::mutex mutex_;

int main() {
    auto func1 = [](int k) { 
        mutex_.lock(); 
        for (int i = 0; i < k; ++i) { 
            cout << i << " "; 
        } 
        cout << endl; 
        mutex_.unlock(); 
    };
    
    std::thread threads[5]; 
    for (int i = 0; i < 5; ++i) { 
        threads[i] = std::thread(func1, 200); 
    }
    
    for (auto& th : threads) { 
        th.join(); 
    }
    
    return 0;
}

mutex还可以搭配RAII方式的锁封装类一起使用，可以动态的释放锁资源，防止线程由于编码失误导致始终持有锁。C++11主要有std::lock_guard和std::unique_lock两种RAII方式，使用方式类似：

auto func1 = [](int k) { 
    // std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_); 
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_); 
    for (int i = 0; i < k; ++i) { 
        cout << i << " "; 
    }
    cout << endl;
};

std::lock_guard相比于std::unique_lock更加轻量级，少了一些成员函数，std::unique_lock类有unlock函数，可以手动释放锁，所以条件变量都配合std::unique_lock使用，而不是std::lock_guard，因为条件变量在wait时需要有手动释放锁的能力，具体关于条件变量后面会讲到。

如何使用原子操作

C++11提供了原子类型std::atomic，理论上这个T可以是任意类型，但是我平时只存放整型，别的还真的没用过，整型有这种原子变量已经足够方便，就不需要使用std::mutex来保护该变量啦。

看一个带锁计数器的代码：

struct OriginCounter { // 普通的计数器
    int count; 
    std::mutex mutex_; 
    
    void add() { 
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_); 
        ++count; 
    }
    
    void sub() { 
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_); 
        --count; 
    }
    
    int get() { 
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_); 
        return count; 
    }
};

而用原子变量就方便的多：

struct NewCounter { // 使用原子变量的计数器
    std::atomic<int> count; 
    
    void add() { 
        ++count; 
    }
    
    void sub() { 
        --count; 
    }
    
    int get() { 
        return count.load(); 
    }
};

如何使用条件变量

条件变量是C++11引入的一种同步机制，它可以阻塞一个线程或者个线程，直到有线程通知或者超时才会唤醒正在阻塞的线程，条件变量需要和锁配合使用，这里的锁就是上面介绍的std::unique_lock。这里使用条件变量实现一个CountDownLatch：

class CountDownLatch {
public:
    explicit CountDownLatch(uint32_t count) : count_(count);
    
    void CountDown() {  
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);  
        --count_;  
        if (count_ == 0) {   
            cv_.notify_all();  
        } 
    }
    
    void Await(uint32_t time_ms = 0) {  
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);  
        while (count_ > 0) {   
            if (time_ms > 0) {    
                cv_.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(time_ms));   
            } else {    
                cv_.wait(lock);   
            }  
        } 
    }
    
    uint32_t GetCount() const {  
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);  
        return count_; 
    }

private:
    std::condition_variable cv_; 
    mutable std::mutex mutex_; 
    uint32_t count_ = 0;
};

关于条件变量其实还涉及到通知丢失和虚假唤醒问题，可以看这篇文章：通知丢失和虚假唤醒。

如何优雅的执行异步任务

你可能已经猜到了，我要介绍的就是async，关于异步操作可以优先使用async，看这段代码：

#include <functional>
#include <future>
#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

int func(int in) { return in + 1; }

int main() { 
    auto res = std::async(func, 5); // res.wait(); 
    cout << res.get() << endl; // 阻塞直到函数返回 
    return 0;
}

使用async异步执行函数是不是方便多啦。async具体语法如下：

async(std::launch::async | std::launch::deferred, func, args...);

第一个参数是创建策略：std::launch::async表示任务执行在另一线程，std::launch::deferred表示延迟执行任务，调用get或者wait时才会执行，不会创建线程，惰性执行在当前线程。如果不明确指定创建策略，以上两个都不是async的默认策略，而是未定义，它是一个基于任务的程序设计，内部有一个