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多线程编程在现代计算机系统中非常重要，因为它能够使程序同时执行多个操作，提高计算效率。以下是多线程编程的基本概念及如何在C++标准库中使用std::thread和std::async进行多线程编程，同时处理线程同步和并发问题。
多线程编程的基本概念
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线程（Thread）:
- 线程是一个轻量级的进程，是操作系统能够独立管理的基本单元。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源（如内存、文件句柄等）。
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并发与并行（Concurrency vs. Parallelism）:
- 并发是指程序能够在同一时间处理多个任务。具体而言，虽然任务可能并不是同时运行的，但它们在程序中的执行顺序会交错进行。
- 并行是指程序在同一时刻实际执行多个任务。并行通常需要多核处理器，多个任务真正同时进行。
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线程安全（Thread Safety）:
- 当多个线程访问共享资源（如全局变量、文件等）时，如果没有适当的同步机制，就可能出现数据竞争（Data Race）和死锁（Deadlock）等问题。线程安全是指程序在多线程环境下运行时，能够正确地处理并发访问，不会出现错误。
C++ 标准库中的多线程支持
C++11引入了丰富的多线程支持，主要包括std::thread和std::async等工具。以下是它们的基本用法：
1. std::thread
std::thread提供了一个简单的接口来创建和管理线程。下面是一个基本的示例：
#include <iostream>
#include <thread>// 线程执行的函数
void print_hello() {std::cout << "Hello from thread!" << std::endl;
}int main() {// 创建线程并启动std::thread t(print_hello);// 等待线程完成t.join();std::cout << "Hello from main!" << std::endl;return 0;
}
在这个示例中，std::thread t(print_hello); 创建并启动了一个新线程来执行print_hello函数。t.join(); 用于等待线程t完成。
2. std::async
std::async是一个高层次的接口，用于启动异步任务，并且它返回一个std::future对象，用于获取异步任务的结果。下面是一个基本的示例：
#include <iostream>
#include <future>// 异步执行的函数
int compute_sum(int a, int b) {return a + b;
}int main() {// 使用 std::async 启动异步任务std::future<int> result = std::async(std::launch::async, compute_sum, 10, 20);// 获取异步任务的结果int sum = result.get();std::cout << "Sum is: " << sum << std::endl;return 0;
}
在这个示例中，std::async启动了一个异步任务来计算两个整数的和，并返回一个std::future对象result。通过调用result.get()，可以获得异步任务的结果。
线程同步和并发问题的处理
为了保证线程安全，需要使用同步机制来管理对共享资源的访问。C++标准库提供了一些常用的同步原语：
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互斥量（Mutex）:
std::mutex：用于在多个线程之间保护共享资源，确保一次只有一个线程可以访问资源。std::lock_guard：用于简化互斥量的使用，在一个作用域内自动锁定和解锁互斥量。#include <iostream> #include <thread> #include <mutex>std::mutex mtx; // 互斥量void print_number(int n) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);std::cout << "Number: " << n << std::endl; }int main() {std::thread t1(print_number, 1);std::thread t2(print_number, 2);t1.join();t2.join();return 0; }
2.条件变量（Condition Variable）:
std::condition_variable：用于线程间的通信，使一个线程能够等待另一个线程的某个条件满足。std::unique_lock：用于与条件变量一起使用，能够更灵活地控制互斥量的锁定和解锁。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <condition_variable>std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;void print_message() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);cv.wait(lock, []{ return ready; }); // 等待条件满足std::cout << "Thread is running!" << std::endl;
}int main() {std::thread t(print_message);{std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);ready = true; // 设置条件为 true}cv.notify_one(); // 通知等待的线程t.join();return 0;
}
3.原子操作（Atomic Operations）:
std::atomic：提供对基本数据类型的原子操作，避免使用锁的开销。#include <iostream> #include <thread> #include <atomic>std::atomic<int> counter(0);void increment() {for (int i = 0; i < 1000; ++i) {++counter;} }int main() {std::thread t1(increment);std::thread t2(increment);t1.join();t2.join();std::cout << "Counter: " << counter.load() << std::endl;return 0; }在这个示例中，
std::atomic<int>保证了对counter的操作是线程安全的，不需要使用互斥量来保护它。通过正确地使用这些工具和同步机制，可以有效地管理多线程程序中的并发问题，提高程序的性能和可靠性。