c++,linux,多线程编程详细介绍

在Linux环境下使用C++进行多线程编程，可利用POSIX线程（pthread）或C++11标准库。以下从基础概念、同步机制、异步编程模型、线程池等方面进行详细介绍：

一、基础概念

线程是进程中的执行单元，共享进程的地址空间和数据，但拥有独立的执行栈和寄存器状态。多线程编程可提高程序响应性、充分利用多核资源，但需注意线程安全和资源竞争问题。

二、POSIX线程（pthread）

• 线程创建：使用pthread_create函数创建线程，需指定线程函数、参数和属性。
• 线程同步：
  • 互斥锁：使用pthread_mutex_t保护共享资源，避免数据竞争。
  • 条件变量：使用pthread_cond_t实现线程间的等待和通知机制。
• 线程退出与等待：线程可通过pthread_exit退出，主线程使用pthread_join等待子线程结束。

三、C++11标准库

• 线程创建：使用std::thread构造函数直接创建线程，支持函数指针、Lambda表达式和类成员函数。
• 线程管理：
  • join()：等待线程结束。
  • detach()：分离线程，使其在后台独立运行。
• 同步机制：
  • 互斥锁：使用std::mutex保护共享资源。
  • 条件变量：使用std::condition_variable实现线程间的同步。
  • 原子操作：使用std::atomic确保对变量的操作是线程安全的。

四、同步机制详解

• 互斥锁：确保同一时间只有一个线程访问共享资源。
• 条件变量：用于线程间的通信，允许线程等待某个条件成立。
• 读写锁：允许多个线程同时读取共享资源，但在写入时阻止其他线程访问。
• 屏障：确保多个线程在某个点上同步，所有线程都到达屏障点后才能继续执行。

五、异步编程模型

• 回调函数：将函数作为参数传递给异步操作，操作完成后调用该函数处理结果。
• 异步函数：使用std::async创建异步任务，返回std::future对象用于获取结果。
• 线程池：管理线程的创建和销毁，避免频繁创建和销毁线程的开销。

六、线程池实现

线程池通过预创建一组线程，并将任务提交到任务队列中，由空闲线程执行任务。线程池可有效管理线程资源，提高程序性能。

七、代码示例

使用和互斥锁：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>std::mutex mtx;
int shared_data = 0;void thread_func() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);shared_data++;
}int main() {std::thread t1(thread_func);std::thread t2(thread_func);t1.join();t2.join();std::cout << "Shared data: " << shared_data << std::endl;return 0;
}

使用条件变量：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;void producer() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);ready = true;cv.notify_one();
}void consumer() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);while (!ready) {cv.wait(lock);}std::cout << "Data is ready." << std::endl;
}int main() {std::thread t1(producer);std::thread t2(consumer);t1.join();t2.join();return 0;
}