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1. C++ 线程和线程管理

C++11 引入了线程支持，可以通过 std::thread 创建和管理线程。以下是线程管理的关键概念：

1.1 创建线程

使用 std::thread 类来创建一个线程并启动该线程：

#include <iostream>
#include <thread>void print_hello() {std::cout << "Hello from thread!" << std::endl;
}int main() {std::thread t(print_hello);  // 创建线程并执行print_hello函数t.join();  // 主线程等待子线程执行完成return 0;
}

• t.join()：会阻塞主线程，直到线程 t 完成其任务。
• t.detach()：会将线程与主线程分离，主线程不会等待线程的完成。

1.2 线程与主线程分离（detach()）

std::thread t(print_hello);
t.detach();  // 线程将在后台运行，主线程不再等待它

• 分离线程意味着主线程无法再与之交互，且程序结束时，分离的线程会被系统自动清理。
• 如果分离的线程在主线程退出时仍然活跃，可能会造成资源泄露或访问未定义行为。

1.3 线程的生命周期

线程的生命周期由创建线程的 std::thread 对象管理。如果线程对象在析构时未调用 join() 或 detach()，程序将抛出异常，提示线程没有正确管理。

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2. 锁和互斥量

在多线程环境中，锁和互斥量用于同步线程访问共享资源，以避免数据竞态和死锁等问题。C++ 提供了多种锁和互斥量类型来应对不同的同步需求。

2.1 std::mutex（互斥量）

std::mutex 是最常用的锁类型，确保同一时刻只有一个线程能访问共享资源。

std::mutex mtx;void print_hello(int id) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);std::cout << "Thread " << id << " is working" << std::endl;
}

• std::lock_guard：提供 RAII 风格的锁管理，自动加锁和解锁。
• std::unique_lock：功能更强大，支持手动解锁和锁定、延迟锁定等。

2.2 std::recursive_mutex（递归互斥量）

std::recursive_mutex 允许同一线程多次加锁而不会死锁，适用于递归的场景。

std::recursive_mutex rmtx;void recursive_print(int id, int count) {std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(rmtx);if (count > 0) {std::cout << "Thread " << id << " printing recursively, count: " << count << std::endl;recursive_print(id, count - 1);}
}

• 适合需要递归操作的场景，例如递归函数中的锁保护。

2.3 std::shared_mutex（共享互斥量）

std::shared_mutex 允许多个线程共享读取数据的锁，但写入数据时会独占访问权。

std::shared_mutex smtx;void read_data(int id) {std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(smtx);  // 共享锁std::cout << "Thread " << id << " is reading data." << std::endl;
}void write_data(int id) {std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(smtx);  // 独占锁std::cout << "Thread " << id << " is writing data." << std::endl;
}

• std::shared_lock：获取共享锁，多个线程可以同时读取资源。
• std::unique_lock：获取独占锁，确保只有一个线程能够写入数据。

2.4 std::timed_mutex 和 std::try_lock

std::timed_mutex 允许线程尝试在指定时间内获取锁，而 std::try_lock 则允许线程立即返回尝试锁定结果。

std::timed_mutex tmtx;void try_lock_example() {if (tmtx.try_lock_for(std::chrono::seconds(1))) {std::cout << "Lock acquired successfully" << std::endl;tmtx.unlock();} else {std::cout << "Lock attempt timed out" << std::endl;}
}

• try_lock_for()：尝试在指定的时间内获取锁。
• try_lock()：立即返回是否能够成功获取锁。

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3. 线程同步：std::condition_variable

std::condition_variable 用于线程间的通知机制，通过它，线程可以在特定条件发生时被唤醒。主要的两种操作是 notify_one() 和 notify_all()。

3.1 std::condition_variable 基本用法

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;void wait_for_data() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);cv.wait(lock, []{ return data_ready; });  // 等待条件满足// 数据准备好后继续执行
}

• wait()：阻塞当前线程，直到条件变量被通知。
• notify_one()：唤醒一个等待线程。
• notify_all()：唤醒所有等待线程。

3.2 notify_one() 和 notify_all() 的区别：

• notify_one()：唤醒一个线程，适合只需要唤醒一个线程的场景。
• notify_all()：唤醒所有等待的线程，适合所有线程都需要响应某个条件时。

void producer() {{std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);data_ready = true;}cv.notify_all();  // 唤醒所有等待线程
}void consumer(int id) {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);while (!data_ready) cv.wait(lock);  // 等待数据准备好std::cout << "Consumer " << id << " is processing data" << std::endl;
}

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4. 常见的锁类型总结

锁类型	适用场景	特点
std::mutex	基本的互斥锁，保护共享资源不被并发访问	不可递归，同一时间只有一个线程持有
std::recursive_mutex	需要递归加锁的场景	允许同一线程多次加锁
std::shared_mutex	读多写少的场景，如缓存系统、数据库读写操作等	读线程共享，写线程独占
std::timed_mutex	需要超时控制的场景	可在一定时间内尝试获取锁
std::lock_guard	用于简化锁的管理，RAII 风格的锁管理	自动加锁和解锁
std::unique_lock	更灵活的锁管理，支持延迟锁定、解锁、重锁等	支持手动解锁与重新锁定

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总结

• 线程创建与管理：C++11 提供了 std::thread 用于创建和管理线程，支持线程同步与并发操作。
• 锁与互斥量：通过 std::mutex、std::recursive_mutex、std::shared_mutex、std::timed_mutex 等锁类型实现线程间资源同步，避免数据竞态。
• 条件变量同步：使用 std::condition_variable 实现线程间的通知和等待机制，notify_one() 和 notify_all() 用于唤醒等待线程。
• RAII 风格的锁管理：使用 std::lock_guard 和 std::unique_lock 来简化锁的管理，确保锁的自动释放。