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线程、进程

news 来源：原创 2025/6/3 10:09:49

线程（Thread） 是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它是进程中的一个执行流程，一个进程可以包含多个线程。为了更好地理解线程，我们需要先了解 进程（Process）。

1. 进程 vs. 线程

进程：
- 进程是程序的一次执行过程，是操作系统资源分配的基本单位。
- 每个进程有独立的内存空间（代码、数据、堆栈等）。
- 进程之间相互隔离，一个进程崩溃不会影响其他进程。
线程：
- 线程是进程中的一个执行单元，是 CPU 调度的基本单位。
- 线程共享进程的内存空间（代码、数据、堆等），但每个线程有自己的栈空间。
- 线程之间可以方便地共享数据，但也可能导致数据竞争（Data Race）等问题。

2. 线程的特点

轻量级：线程的创建和切换比进程更快，因为它们共享进程的资源。
并发执行：多个线程可以在同一时间内并发执行（如果是多核 CPU，甚至可以并行执行）。
共享资源：线程可以访问进程的全局变量和堆内存，这使得线程之间的通信更加高效。
独立性：每个线程有自己的程序计数器（PC）、栈和寄存器状态。

3. 线程的用途

提高程序性能：通过多线程，可以将任务分解为多个子任务并发执行，充分利用多核 CPU 的计算能力。
- 例如：一个视频播放器可以用一个线程解码视频，另一个线程播放音频。
响应性：在图形用户界面（GUI）程序中，主线程负责更新界面，而其他线程可以处理后台任务（如网络请求、文件读写等），避免界面卡顿。
- 例如：浏览器可以用一个线程加载网页，另一个线程响应用户输入。
异步任务：线程可以用于执行异步任务，比如定时任务、后台计算等。

4. 线程的生命周期

线程的生命周期包括以下几个状态：

新建（New）：线程被创建，但尚未启动。
就绪（Runnable）：线程已经启动，等待 CPU 调度执行。
运行（Running）：线程正在执行。
阻塞（Blocked）：线程因为某些原因（如等待 I/O 操作、锁等）暂时停止执行。
终止（Terminated）：线程执行完毕或被强制终止。

5. 多线程的挑战

数据竞争（Data Race）：
- 当多个线程同时访问共享资源时，可能会导致数据不一致。
- 例如：两个线程同时对一个变量进行写操作，结果可能不符合预期。
死锁（Deadlock）：
- 多个线程互相等待对方释放资源，导致所有线程都无法继续执行。
线程安全问题：
- 如果多个线程同时修改共享数据，可能会导致程序行为异常。

6. 线程的示例

以下是一个简单的多线程示例（C++11 及以上）：

#include<iostream>
#include<thread>
using namespace std;

//线程执行的函数
void printHello(int id)
{
	cout << "Hello from thread " << id << endl;
}

int main()
{
	//创建两个线程
	thread t1(printHello, 1);
	thread t2(printHello, 2);

	//等待线程执行完毕
	t1.join();
	t2.join();

	cout << "Main thread finished." << endl;
	return 0;
}

代码说明：

std::thread 是 C++ 标准库中的线程类。
t1 和 t2 是两个线程，分别执行 printHello 函数。
join() 用于等待线程执行完毕。

输出可能：

Hello from thread 1
Hello from thread 2
Main thread finished.

（注意：线程的执行顺序是不确定的，因此输出的顺序可能会变化。）

7. 线程与单例模式的关系

在上一篇：小明的购物车（单例模式）中，getInstance() 使用了静态局部变量来实现单例模式。在 C++11 及以上标准中，静态局部变量的初始化是线程安全的。这意味着即使多个线程同时调用 getInstance()，也只会创建一个实例。

如果没有线程安全机制，多个线程可能会同时创建多个实例，破坏单例模式的唯一性。

我们来看其它输出情况：

Hello from thread Hello from thread 21

Main thread finished.

Hello from thread Hello from thread 2
1
Main thread finished.

Hello from thread 2
Hello from thread 1
Main thread finished.

为什么会有这些情况出现？

这是因为 多线程并发访问 std::cout 导致的输出混乱。

1. 为什么输出会混乱？

原因 1：`std::cout` 不是线程安全的

std::cout 是 C++ 标准库中的一个全局对象，用于输出数据到控制台。当多个线程同时调用 std::cout 时，它们的输出可能会交错在一起，因为 std::cout 的内部实现并不是线程安全的。

原因 2：操作系统的线程调度

操作系统对线程的调度是非确定性的。也就是说，线程的执行顺序无法预测。例如：

线程 1 开始输出 "Hello from thread 1"。
在线程 1 完成输出之前，线程 2 开始输出 "Hello from thread 2"。
结果就是输出内容混在一起。

具体分析

Hello from thread Hello from thread 2
1
Main thread finished.

线程 1 开始输出 "Hello from thread 1"，但在输出到一半时被操作系统中断。
线程 2 开始输出 "Hello from thread 2"，并完成了输出。
线程 1 恢复执行，继续输出剩余的 "1"。
最后，主线程输出 "Main thread finished."。

2. 如何解决这个问题？

要解决这个问题，需要确保多个线程不会同时访问 std::cout。以下是几种常见的解决方法：

方法 1：使用互斥锁（Mutex）

互斥锁可以确保同一时间只有一个线程访问共享资源（如 std::cout）。

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>//引入互斥锁
using namespace std;

mutex mtx;//全局互斥锁

void printHello(int id)
{
	lock_guard<mutex>lock(mtx);//加锁
	cout << "Hello from thread" << id << endl;
	//锁在lock_guard析构时自动释放
}

int main()
{
	thread t1(printHello, 1);
	thread t2(printHello, 2);

	t1.join();
	t2.join();

	cout << "Main thread finished." << endl;
	return 0;
}

代码说明：

std::mutex 是 C++ 标准库中的互斥锁。
std::lock_guard 是一个 RAII 风格的锁管理器，确保在作用域结束时自动释放锁。
通过加锁，确保同一时间只有一个线程访问 std::cout。

方法 2：使用线程安全的输出函数

如果你需要频繁地输出日志或调试信息，可以封装一个线程安全的输出函数。

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<sstream>
using namespace std;

mutex mtx;

void safeprint(const string& message)
{
	lock_guard<mutex>lock(mtx);
	cout << message;
}

void printHello(int id)
{
	ostringstream oss;
	oss <<  "Hello from thread " << id << endl;
	safeprint(oss.str());
}

int main()
{
	thread t1(printHello, 1);
	thread t2(printHello, 2);

	t1.join();
	t2.join();

	safeprint("Main thread finished.");
	cout << endl;
	return 0;
}