C++11 在 Windows 环境下的多线程编程指南

引言

随着多核处理器的普及，利用多线程编程来提升应用程序性能变得越来越重要。C++11 标准库引入了一系列用于多线程编程的API，使得多线程编程变得更加简洁和高效。

一、基本概念

在开始编写多线程代码之前，了解一些基本概念是非常重要的：

1. 线程：线程是操作系统能够调度的最小执行单元。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源，但可以独立执行。
2. 并行和并发：并行是指多个线程同时执行，而并发是指多个线程在同一时间段内交替执行。

二、创建和管理线程

C++11标准库提供了std::thread类来创建和管理线程。我们可以通过以下几种方式创建线程：

1. 创建线程

（1）使用函数指针

#include <iostream>
#include <thread>

void threadFunction() {
    std::cout << "Hello from thread!\n";
}

int main() {
    std::thread t(threadFunction);
    t.join(); // 等待线程t完成
    return 0;
}

（2）使用lambda表达式

#include <iostream>
#include <thread>

int main() {
    std::thread t([]{
        std::cout << "Hello from lambda thread!\n";
    });
    t.join();
    return 0;
}

（3）使用成员函数

#include <iostream>
#include <thread>

class MyClass {
public:
    void memberFunction() {
        std::cout << "Hello from member function thread!\n";
    }
};

int main() {
    MyClass obj;
    std::thread t(&MyClass::memberFunction, &obj);
    t.join();
    return 0;
}

2. 线程同步

在多线程编程中，同步是一个关键问题，C++11 提供了多种同步机制，包括互斥量(std::mutex)、锁(std::lock_guard 和 std::unique_lock)、条件变量(std::condition_variable)等。

（1）互斥量

互斥量用于保护共享数据，防止数据竞争。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mtx;

void printMessage(const std::string& msg) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    std::cout << msg << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(printMessage, "Hello from thread 1");
    std::thread t2(printMessage, "Hello from thread 2");
    
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

（2）条件变量

条件变量用于线程间的通知机制。

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

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

void printMessage() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, []{ return ready; });
    std::cout << "Thread is running!\n";
}

int main() {
    std::thread t(printMessage);
    
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_one();
    
    t.join();
    return 0;
}

3. 线程局部存储

C++11 提供了 thread_local 关键字，用于定义线程局部变量。

#include <iostream>
#include <thread>

thread_local int threadId = 0;

void printThreadId(int id) {
    threadId = id;
    std::cout << "Thread ID: " << threadId << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(printThreadId, 1);
    std::thread t2(printThreadId, 2);
    
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

4. 其他API

（1）std::async 和 std::future

std::async 用于异步执行任务，并返回一个 std::future 对象，用于获取异步任务的结果。

#include <iostream>
#include <future>

int asyncFunction() {
    return 42;
}

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

（2）std::packaged_task

std::packaged_task 也用于异步执行任务，但它允许将任务包装成一个可调用对象，并与 std::future 关联。

#include <iostream>
#include <future>

int taskFunction() {
    return 42;
}

int main() {
    std::packaged_task<int()> task(taskFunction);
    std::future<int> result = task.get_future();
    
    std::thread(std::move(task)).detach();
    
    std::cout << "Task result: " << result.get() << std::endl;
    return 0;
}

三、总结

C++11 标准库提供了一套强大而简洁的多线程编程API，极大地简化了多线程编程的复杂性。通过 std::thread 类，我们可以方便地创建和管理线程；通过互斥量和条件变量等同步机制，我们可以有效地避免数据竞争；通过 std::async 和 std::future 等工具，我们可以轻松地实现异步编程。这些工具不仅适用于Windows环境，也适用于其他平台，使得我们的代码具有良好的可移植性。

更多详细代码：C++11多线程编程: Windows下C++11多线程编程