C++11 多线程相关的头文件

C++11 新标准中引入了四个头文件来支持多线程编程，他们分别是<atomic> ,<thread>,<mutex>,<condition_variable>和<future>。

• <atomic>：该头文主要声明了两个类, std::atomic 和 std::atomic_flag，另外还声明了一套 C 风格的原子类型和与 C 兼容的原子操作的函数。
• <thread>：该头文件主要声明了 std::thread 类，另外 std::this_thread 命名空间也在该头文件中。
• <mutex>：该头文件主要声明了与互斥量(mutex)相关的类，包括 std::mutex 系列类，std::lock_guard, std::unique_lock, 以及其他的类型和函数。
• <condition_variable>：该头文件主要声明了与条件变量相关的类，包括 std::condition_variable 和 std::condition_variable_any。
• <future>：该头文件主要声明了 std::promise, std::package_task 两个 Provider 类，以及 std::future 和 std::shared_future 两个 Future 类，另外还有一些与之相关的类型和函数，std::async() 函数就声明在此头文件中。

std::thread "Hello world"

下面是一个最简单的使用 std::thread 类的例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#include <iostream> // std::cout
#include <thread>   // std::thread

void thread_task() {
    std::cout << "hello thread" << std::endl;
}

/*
 * ===  FUNCTION  =========================================================
 *         Name:  main
 *  Description:  program entry routine.
 * ========================================================================
 */
int main(int argc, const char *argv[])
{
    std::thread t(thread_task);
    t.join();

    return EXIT_SUCCESS;
}  /* ----------  end of function main  ---------- */

Makefile 如下：

all:Thread

CC=g++
CPPFLAGS=-Wall -std=c++11 -ggdb
LDFLAGS=-pthread

Thread:Thread.o
    $(CC) $(LDFLAGS) -o $@ $^

Thread.o:Thread.cc
    $(CC) $(CPPFLAGS) -o $@ -c $^


.PHONY:
    clean

clean:
    rm Thread.o Thread

注意在 Linux GCC4.6 环境下，编译时需要加 -pthread，否则执行时会出现：

$ ./Thread
terminate called after throwing an instance of 'std::system_error'
  what():  Operation not permitted
Aborted (core dumped)

原因是 GCC 默认没有加载 pthread 库，据说在后续的版本中可以不用在编译时添加 -pthread 选项。

std::thread 在 <thread> 头文件中声明，因此使用 std::thread 时需要包含 <thread> 头文件。

std::thread 构造

thread() noexcept;

template <class Fn, class... Args>
explicit thread (Fn&& fn, Args&&... args);

thread (const thread&) = delete;

thread (thread&& x) noexcept;

• (1). 默认构造函数，创建一个空的 thread 执行对象。
• (2). 初始化构造函数，创建一个 thread对象，该 thread对象可被 joinable，新产生的线程会调用 fn 函数，该函数的参数由 args 给出。
• (3). 拷贝构造函数(被禁用)，意味着 thread 不可被拷贝构造。
• (4). move 构造函数，move 构造函数，调用成功之后 x 不代表任何 thread 执行对象。
• 注意：可被 joinable 的 thread 对象必须在他们销毁之前被主线程 join 或者将其设置为 detached.

std::thread 各种构造函数例子如下（参考）：

#include <iostream>
#include <utility>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <functional>
#include <atomic>
 
void f1(int n)
{
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "Thread " << n << " executing\n";
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));
    }
}
 
void f2(int& n)
{
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "Thread 2 executing\n";
        ++n;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));
    }
}
 
int main()
{
    int n = 0;
    std::thread t1; // t1 is not a thread
    std::thread t2(f1, n + 1); // pass by value
    std::thread t3(f2, std::ref(n)); // pass by reference
    std::thread t4(std::move(t3)); // t4 is now running f2(). t3 is no longer a thread
    t2.join();
    t4.join();
    std::cout << "Final value of n is " << n << '\n';
}

move 赋值操作

thread& operator= (thread&& rhs) noexcept;

thread& operator= (const thread&) = delete;

• (1). move 赋值操作，如果当前对象不可 joinable，需要传递一个右值引用(rhs)给 move 赋值操作；如果当前对象可被 joinable，则 terminate() 报错。
• (2). 拷贝赋值操作被禁用，thread 对象不可被拷贝。

请看下面的例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#include <chrono>    // std::chrono::seconds
#include <iostream>  // std::cout
#include <thread>    // std::thread, std::this_thread::sleep_for

void thread_task(int n) {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(n));
    std::cout << "hello thread "
        << std::this_thread::get_id()
        << " paused " << n << " seconds" << std::endl;
}

/*
 * ===  FUNCTION  =========================================================
 *         Name:  main
 *  Description:  program entry routine.
 * ========================================================================
 */
int main(int argc, const char *argv[])
{
    std::thread threads[5];
    std::cout << "Spawning 5 threads...\n";
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        threads[i] = std::thread(thread_task, i + 1);
    }
    std::cout << "Done spawning threads! Now wait for them to join\n";
    for (auto& t: threads) {
        t.join();
    }
    std::cout << "All threads joined.\n";

    return EXIT_SUCCESS;
}  /* ----------  end of function main  ---------- */

其他成员函数

• get_id

获取线程 ID。

• joinable

检查线程是否可被 join。

• join

Join 线程。

• detach

Detach 线程

• swap

Swap 线程 。

• native_handle

返回 native handle。

• hardware_concurrency [static]

检测硬件并发特性。