C++ 多线程库 thread

下面对 C++11 及以后标准中 <thread> 头文件所提供的多线程支持做一次系统、深入的梳理，包括线程管理类、线程局部存储、线程休眠与让渡、硬件并发查询，以及实践建议与注意事项。

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一、概述

• <thread> 是 C++ 标准库提供的跨平台线程支持，封装了操作系统原生线程接口。
• 核心类型与函数分布在三个命名空间：
  • std::thread：线程类
  • std::this_thread：当前线程相关操作
  • std::hardware_concurrency：并发度查询

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二、std::thread 类

1. 定义与构造

namespace std {
  class thread {
  public:
    // 构造
    thread() noexcept;  // 不代表任何线程
    template<class F, class... Args>
    explicit thread(F&& f, Args&&... args);
      // 启动新线程，调用 std::invoke(f, args...)
  …
  };
}

• 无参构造：创建“空”线程对象，不代表任何执行单元。
• 函数对象构造：将可调用对象（函数指针、lambda、函数对象）和其参数拷贝／移动到新线程中执行。

2. 成员函数

函数	功能
join()	阻塞当前线程直到该 std::thread 完成；必须可 join，否则 std::terminate。
detach()	分离线程——线程完成后自主释放资源；调用后不可再 join() 或 detach()。
joinable()	判断是否为可 join 状态（即已关联且未 join/detach）。
get_id()	返回 std::thread::id，可用于标识或比较线程。
native_handle()	获取底层原生线程句柄，可用于平台特定调优或 API 调用。

#include <thread>
#include <iostream>

void worker(int id) {
    std::cout << "Worker " << id << " start\n";
    // … 
    std::cout << "Worker " << id << " end\n";
}

int main() {
    std::thread t1(worker, 1);
    if (t1.joinable()) t1.join();
}

• 注意：若一个 std::thread 对象在析构时仍为 joinable，会调用 std::terminate——务必在析构前 join() 或 detach()。

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三、std::this_thread 命名空间

提供当前线程的工具函数。

函数	功能
this_thread::get_id()	返回当前线程的 std::thread::id。
this_thread::yield()	暂让当前线程执行权，使调度器有机会切换到其他就绪线程。
this_thread::sleep_for(d)	阻塞当前线程持续指定 std::chrono::duration。
this_thread::sleep_until(tp)	阻塞当前线程直到指定 std::chrono::time_point。

#include <thread>
#include <chrono>

std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));

• yield() 常用于自旋锁或忙等循环中，让出 CPU。
• 睡眠 精度受操作系统调度影响，不保证严格时长。

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四、线程局部存储（thread_local）

• C++11 引入了 thread_local 存储修饰符，用于声明每个线程独有的一份变量副本。
• 对比：static 是进程内单例，thread_local 是每个线程单例。

thread_local int counter = 0;

void func() {
    ++counter;
    // 每个线程都有自己独立的 counter
}

• 应用场景：避免对共享数据加锁，存放线程私有的缓存、状态或错误码等。

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五、并发度查询

unsigned n = std::thread::hardware_concurrency();

• 返回系统建议的并行线程数量，通常等于逻辑 CPU 核心数。
• 若实现不支持或无法检测，可能返回 0。

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六、实践建议与注意事项

1. RAII 管理线程
   • 推荐封装一个小型的线程守护类，在析构时自动 join() 或 detach()，避免忘记管理：struct ThreadGuard { std::thread t; ~ThreadGuard() { if (t.joinable()) t.join(); } };
2. 避免数据竞争
   • 对多个线程访问同一可变数据时，使用互斥量（<mutex>）、读写锁或原子操作（<atomic>）保护。
3. 慎用 detach()
   • detach() 后你无法知道线程何时完成，也无法获取其返回值或异常——仅在后台运行独立任务、且不关心其结果时使用。
4. 线程参数传递
   • std::thread 构造时会复制或移动参数；如需传引用，必须使用 std::ref()：int x = 0; std::thread t([](int& v){ v = 1; }, std::ref(x));
5. 控制并发度
   • 根据 hardware_concurrency 限制同时运行线程数量，避免过度切换开销。
   • 可用线程池复用线程（标准库尚未提供，建议使用第三方或自行实现）。
6. 异常安全
   • 线程函数若抛异常，若未捕获会导致 std::terminate，可在函数内捕捉所有异常并传回主线程或记录日志。
7. 线程亲和性（Affinity）
   • 如需绑定线程到特定 CPU，需调用 native_handle() 并使用平台 API（如 pthread 或 WinAPI）设置。
8. 使用高层并行框架
   • 对于大量并行任务，优先考虑 <future>/<async>、并行算法（<algorithm> + <execution>）、或第三方线程池，避免直接管理原始线程过多细节。

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通过以上对 <thread> 的详尽讲解与实践建议，你可以更安全、高效地在现代 C++ 中组织与管理多线程任务。祝编码顺利！