C++11QT复习 （十九）

Day13 C++ 时间库和线程库学习笔记（Chrono 与 Thread）

一、时间库 <chrono>

1.1 基本概念

C++ 的 <chrono> 时间库中包含三个核心概念：

• Clock（时钟）：提供当前时间的来源，常用的有：
  • system_clock：系统时间，可转换为 time_t 类型（适合打印日志）
  • steady_clock：单调时钟，适合测量时间间隔（不受系统时间修改影响）
  • high_resolution_clock：高精度时钟，底层通常等同于 steady_clock
• time_point（时间点）：代表某个时钟上的具体时刻。
• duration（时间段）：表示两个时间点之间的时间差。

1.2 使用示例

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

void wait_or_sleep_for_or_until() {
    using namespace std::chrono_literals; // 支持 1s, 10ms 等单位

    std::this_thread::sleep_for(1s); // 睡眠1秒（使用 duration 类型）
    std::this_thread::sleep_until(std::chrono::high_resolution_clock::now() + 1s); // 睡眠到某时间点
}

void calculate_execution_time() {
    auto before = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    // 执行某段代码
    auto after = std::chrono::high_resolution_clock::now();

    auto elapsed = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(after - before);
    std::cout << "Elapsed: " << elapsed.count() << " ms\n";
}

int main() {
    auto now = std::chrono::system_clock::now();
    std::time_t now_c = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
    std::cout << "Current time: " << std::ctime(&now_c);
}

1.3 duration 字面量单位

使用 std::chrono_literals 命名空间后支持：

• h, min, s, ms, us, ns

二、线程库 <thread>

2.1 基本用法

创建线程的方式：

std::thread t(func); // 执行 func()
t.join();  // 等待线程结束
t.detach(); // 让线程独立运行，主线程不再等待

线程函数可以使用 lambda 表达式，支持传入引用：

int x = 10;
std::thread t([&x] { x += 5; });
t.join();

2.2 数据竞争（Race Condition）

多个线程同时修改共享变量（如 sum）会引发数据竞争，结果不确定。

2.3 加锁：互斥锁 std::mutex

std::mutex mtx;
mtx.lock();
sum += value;
mtx.unlock();

推荐使用 std::lock_guard 实现 RAII 风格的自动加锁解锁：

std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
sum += value; // 自动解锁

2.4 示例：单线程与多线程性能对比

单线程版本

void single_thread() {
    auto data = generate_data();
    unsigned long long sum = 0;
    Timer clock;

    for (const auto& array : data) {
        for (int i : array) {
            // 计算密集操作（模拟）
            sum += i;
        }
    }
    std::cout << "single_thread: " << clock.duration() << " sum: " << sum << "\n";
}

多线程 + 共享内存（未加锁）

void race_condition_of_shared_memory() {
    unsigned long long sum = 0;
    std::vector<std::thread> threads;
    for (const auto& array : data) {
        threads.emplace_back([&] {
            for (int i : array) sum += i; // 存在数据竞争！
        });
    }
    for (auto& t : threads) t.join();
}

多线程 + 加锁

void mutex_version() {
    std::mutex mtx;
    unsigned long long sum = 0;
    for (...) {
        threads.emplace_back([&] {
            for (...) {
                std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
                sum += i;
            }
        });
    }
}

优化版：每线程局部求和后再加总（锁移出循环）

void mutex_out_of_loop() {
    std::mutex mtx;
    unsigned long long sum = 0;
    for (...) {
        threads.emplace_back([&] {
            unsigned long long local_sum = 0;
            for (...) local_sum += i;
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            sum += local_sum;
        });
    }
}

三、线程安全总结

方案	是否安全	性能	说明
单线程	安全	慢	无并发
多线程（无加锁）	不安全	快但错误	数据竞争
多线程 + 每次加锁	安全	慢	锁粒度太小
多线程 + 聚合后加锁	安全	快	推荐方案，锁粒度大、代价低

四、调试建议

• 建议使用 Debug 模式运行，避免 release 模式优化导致时间测不准。
• 保持线程 join/detach 的正确性，避免程序异常终止。
• 避免栈内存分配超大数组，可使用 std::vector<std::array<>> 放在堆上。

五、参考资源

• zhihu chrono 详解
• C++ Concurrency In Action (书籍)