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第16天：C++多线程完全指南 - 从基础到现代并发编程

一、多线程基础概念

1. 线程创建与管理（C++11）

#include <iostream>
#include <thread>void hello() {std::cout << "Hello from thread " << std::this_thread::get_id() << "\n";
}int main() {std::thread t1(hello);std::thread t2([](){std::cout << "Lambda thread running\n";});t1.join();  // 等待线程完成t2.join();// 输出可能交错：// Hello from thread 140245230233344// Lambda thread running
}

2. 并发与并行区别

• 并发：交替处理多个任务（单核）
• 并行：同时处理多个任务（多核）

// 查看硬件支持线程数
unsigned int n = std::thread::hardware_concurrency();
std::cout << n << " concurrent threads supported\n";

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二、线程同步核心机制

1. 互斥锁（mutex）与RAII

#include <mutex>std::mutex mtx;
int shared_data = 0;void safe_increment() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 自动释放锁++shared_data;  // 临界区操作
}int main() {std::thread threads[10];for (auto& t : threads) {t = std::thread(safe_increment);}for (auto& t : threads) {t.join();}std::cout << "Final value: " << shared_data; // 正确输出10
}

2. 条件变量（生产者-消费者模式）

#include <queue>
#include <condition_variable>std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
std::queue<int> data_queue;void producer() {for (int i=0; i<5; ++i) {{std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);data_queue.push(i);}cv.notify_one();  // 通知消费者std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));}
}void consumer() {while(true) {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);cv.wait(lock, []{ return !data_queue.empty(); });int data = data_queue.front();data_queue.pop();lock.unlock();std::cout << "Consumed: " << data << "\n";if(data == 4) break;}
}

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三、现代C++并发特性

1. 异步任务（std::async）

#include <future>int compute(int x) {return x * x;
}int main() {auto future = std::async(std::launch::async, compute, 12);std::cout << "Result: " << future.get();  // 输出144
}

2. 原子操作（std::atomic）

#include <atomic>std::atomic<int> counter(0);  // 无需锁的线程安全计数器void increment() {for (int i=0; i<100000; ++i) {++counter;  // 原子操作}
}// 测试：两个线程同时递增
// 最终结果正确为200000

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四、线程安全设计模式

1. 线程局部存储（thread_local）

thread_local int tls_var = 0;  // 每个线程独立副本void thread_func() {++tls_var;std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << ": " << tls_var << "\n";
}// 每个线程输出自己的递增结果

2. 线程池实现（C++17）

#include <vector>
#include <functional>
#include <queue>class ThreadPool {std::vector<std::thread> workers;std::queue<std::function<void()>> tasks;std::mutex queue_mutex;std::condition_variable condition;bool stop = false;public:ThreadPool(size_t threads) {for(size_t i=0; i<threads; ++i) {workers.emplace_back([this]{while(true) {std::function<void()> task;{std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);condition.wait(lock, [this]{ return stop || !tasks.empty(); });if(stop && tasks.empty()) return;task = std::move(tasks.front());tasks.pop();}task();}});}}template<class F>void enqueue(F&& f) {{std::lock_guard<std::mutex> lock(queue_mutex);tasks.emplace(std::forward<F>(f));}condition.notify_one();}~ThreadPool() {{std::lock_guard<std::mutex> lock(queue_mutex);stop = true;}condition.notify_all();for(auto& worker : workers)worker.join();}
};

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五、并发编程陷阱与调试

1. 死锁检测示例

std::mutex m1, m2;void thread_A() {std::lock_guard<std::mutex> lock1(m1);std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));std::lock_guard<std::mutex> lock2(m2); // 可能死锁点
}void thread_B() {std::lock_guard<std::mutex> lock2(m2);std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));std::lock_guard<std::mutex> lock1(m1); // 可能死锁点
}// 解决方案：使用std::lock同时锁定多个互斥量
void safe_lock() {std::lock(m1, m2);std::lock_guard<std::mutex> lock1(m1, std::adopt_lock);std::lock_guard<std::mutex> lock2(m2, std::adopt_lock);
}

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六、现代C++并发增强

1. C++20信号量（semaphore）

#include <semaphore>std::counting_semaphore<5> sem(3);  // 允许3个同时访问void limited_thread() {sem.acquire();// 访问受限资源sem.release();
}

2. 屏障（C++20 barrier）

std::barrier sync_point(3);  // 等待3个线程到达void worker() {// Phase 1sync_point.arrive_and_wait();// Phase 2（所有线程完成Phase1后继续）
}

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七、常见问题解答

Q：如何检测数据竞争？

• 使用ThreadSanitizer编译：

g++ -fsanitize=thread -g -O1 program.cpp

• 示例输出：

WARNING: ThreadSanitizer: data race

Q：std::mutex和std::shared_mutex区别？

• std::mutex：独占锁
• std::shared_mutex：读写锁（C++17）

std::shared_mutex smtx;// 写操作使用独占锁
{std::unique_lock lock(smtx);data = new_value;
}// 读操作使用共享锁
{std::shared_lock lock(smtx);read_data = data;
}

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八、今日总结

✅ 核心掌握：

• 🧵 线程生命周期管理（创建、等待、分离）
• 🔒 同步原语使用场景（mutex/atomic/condition_variable）
• 🚧 典型并发问题检测与预防（死锁、数据竞争）