C++ 多线程并发编程1 基础

1. 进程与线程

进程是cpu资源分配的最小单位，线程是cpu调度的最小单位

我们可以将程序定义为对资源进行计算的过程。在早期的计算机中并没有线程的概念，进程就是最基本的运行单位，它在拥有资源所有权，负责对资源进行隔离的同时，也执行计算任务。这是因为早期的CPU只有一个物理核心，也没有逻辑核心和超线程的概念，在物理上只能同时执行一个计算任务。但是随着计算机技术的发展，CPU的核心数越来越多，单核的算力也越来越强，同时也实现了逻辑核心，可以做到同时执行多个计算任务，这个时候如果还像早期进程那样，将资源和计算耦合在一起，当存在大量细粒度的并行计算任务，且都要访问同一块共享资源时，进程间的通信和切换会带来很大的额外开销。

因此为了解决资源隔离和并行计算之间的矛盾，人们在进程的基础上引入了线程，将资源和计算在一定程度上解耦。

• 进程只有用资源的所有权，负责对资源的隔离与管理，并不执行具体的计算任务。
• 同时每个进程都拥有一到多个线程，用于执行具体的计算任务，其中有一个线程是进程的主线程。同一进程的不同线程共享该进程的地址空间、打开的文件描述符、信号处理器等大部分 OS 资源，同时每个线程拥有自己的栈、寄存器上下文、线程局部存储和线程调度属性等私有资源。
• 这样就避免了大量进程切换带来的地址空间切换开销，同时线程间共享内存，通信开销也更小。

2. 同步与异步

同步和异步的区别在于，当调用者发起操作时，是否会阻塞直到这个操作完成再去执行后续的代码。

• 同步（Synchronous）
  • 调用者发起操作后，会阻塞等待该操作完成，才能继续执行后续代码。
• 异步（Asynchronous）
  • 调用者发起操作后，不等待操作完成，立即继续执行后续代码。
  • 一般用于I/O操作等耗时较长的任务
  • 异步调用分为两种情况
    • 调用方不关心操作的执行结果
    • 调用方需要知道操作的执行结果
      这种情况有两种实现方式
      • 通知机制 即当任务执行完成后发送信号来通知调用方任务完成，这里的信号有很多实现方式，例如Linux中的signal，或者使用信号量等机制都可以实现。
      • 回调 即在异步调用时传入一个函数指针或可调用对象，当异步操作完成时由负责异步操作的线程来调用它。

3. std::thread类

C++11引入了std::thread类来创建和管理线程

#include<thread>

3.1 构造函数

• 默认构造函数

  thread() noexcept;

  创建一个空的 thread 执行对象。
• 初始化构造函数

  template <class Fn, class... Args>
  explicit thread (Fn&& fn, Args&&... args);

  创建一个thread对象，该thread对象可被joinable，新产生的线程会调用fn函数，该函数的参数由args给出。常用以下的初始化方式
  • std::thread th1(proc1);
    创建了一个名为th1的线程，程序执行此语句后线程th1就已经开始执行函数proc1
  • std::thread th2(proc2, a, b);
    线程th2用于执行函数void proc2(int a, int b)
  • std::thread th3(&Utils::proc3, a, b);
    线程th3用于执行类Utils的静态成员函数void Utils::proc3(int a, int b)。之所以要使用&，是因为std::thread的构造函数参数实际上是函数指针，其在内部也是使用函数指针来调用函数的，而普通函数的函数名根据上下文会自动退化成函数指针，类的静态函数本质上也是“挂在类名下的普通函数”，也会退化成函数指针，但类的非静态成员函数不会，需要使用&直接对其取地址。（对于普通函数和静态成员函数，也可以使用&取地址再传参）
• 拷贝构造函数 被禁用

  thread (const thread&) = delete;

• 移动构造函数

  thread (thread&& x) noexcept;

  调用成功之后 x 不代表任何 thread 执行对象。

所有的std::thread对象都是异步执行的。

3.2 赋值函数

• 赋值构造函数 被禁用

  thread& operator= (const thread&) = delete;

• 移动赋值函数

  thread& operator= (thread&& rhs) noexcept;

  如果当前对象可被 joinable，则std::terminate()报错。

3.3 join()与detach()

join()与detach()都是std::thread类的成员函数，是两种线程阻塞方法，区别在于是否等待子线程执行结束。
需要注意的是线程在 std::thread 对象被成功构造的那一刻，就已经开始执行了。操作系统会立即（或在很短的时间内）将其纳入调度，分配CPU时间片。它不是在调用 join() 或 detach() 之后才开始执行的。join() 或 detach()只是用来**决定主线程如何与新线程“告别”**的

• join()
  • join()等待调用线程运行结束后当前线程再继续运行，例如在主函数中调用th1.join()，会阻塞主函数，直到线程th1结束运行，主函数再继续运行，以确保能够正确释放线程占用的资源。
  • 需要注意阻塞是从join()的调用而非std::thread对象的创建开始的
• detach()
  • detach()则是执行完后立即执行主函数中下一行代码
  • detach()会让线程脱离std::thread对象管理，变成“后台线程”，它结束时会自动清理自身资源，而主线程不再负责其生命周期。

当线程启动后，一定要在和线程相关联的std::thread对象销毁前，对线程运用join()或者detach()方法。这是因为 std::thread 对象在析构时，如果仍然是 “joinable”（也就是既没有被 join() 也没有被 detach()），就会调用 std::terminate() 导致程序直接终止。这样的设计是为了明确所创建线程的生命周期和资源管理由谁负责，如果既不调用join()也没有调用detach()，那么析构函数就不知道该如何处理这个线程。

3.4 其他成员函数

• get_id()
  获取线程的ID
• joinable()
  检查线程是否是joinable的
• swap()
• native_handle()
  返回 native handle。
• hardware_concurrency()
  检测硬件并发特性

参考

• 从小白到高手，你需要理解同步与异步(内含10张图)
• [知乎专栏]C++多线程并发基础入门教程
• [cnblogs.com]C++11 并发指南系列