精通 C++ 多线程编程：高效并发开发实战

多线程基础

多线程是多任务处理的一种专门形式。多任务允许计算机同时运行两个或更多程序，分为两类：

• 进程级多任务：管理多个程序的并发执行。
• 线程级多任务：管理同一程序内多个部分的并发执行。

多线程程序包含两个或更多可并发运行的部分，每个部分称为一个线程，定义了独立的执行路径。

C++ 标准库（C++11 前）无内置多线程支持，完全依赖操作系统提供该功能。本文基于 Linux 环境，使用 POSIX 线程库（Pthreads），该 API 广泛适用于 FreeBSD、NetBSD、GNU/Linux、macOS、Solaris 等类 UNIX 系统。

创建线程

使用 pthread_create() 创建 POSIX 线程：

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                   void *(*start_routine)(void *), void *arg);

参数说明：

进程可创建的最大线程数取决于实现。线程创建后地位平等，可相互创建，无层级依赖关系。

终止线程

使用 pthread_exit() 显式退出线程：

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *status);

通常在线程完成工作后调用。若 main() 先于其创建的线程结束，且调用 pthread_exit()，其他线程将继续执行；否则随 main() 结束而自动终止。

示例：创建 5 个线程

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>

using namespace std;
#define NUM_THREADS 5

void *PrintHello(void *threadid) {
    long tid = (long)threadid;
    cout << "Hello World! Thread ID, " << tid << endl;
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    int rc, i;

    for (i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        cout << "main() : creating thread, " << i << endl;
        rc = pthread_create(&threads[i], NULL, PrintHello, (void *)i);
        if (rc) {
            cout << "Error: unable to create thread, " << rc << endl;
            exit(-1);
        }
    }
    pthread_exit(NULL);
}

编译命令：g++ test.cpp -lpthread（或 gcc test.cpp -lpthread）

输出示例（线程执行顺序不定）：

main() : creating thread, 0
main() : creating thread, 1
main() : creating thread, 2
main() : creating thread, 3
main() : creating thread, 4
Hello World! Thread ID, 0
Hello World! Thread ID, 1
Hello World! Thread ID, 2
Hello World! Thread ID, 3
Hello World! Thread ID, 4

向线程传递参数

通过结构体传递多参数，利用 void* 的通用性：

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>

using namespace std;
#define NUM_THREADS 5

struct thread_data {
    int thread_id;
    char *message;
};

void *PrintHello(void *threadarg) {
    struct thread_data *my_data = (struct thread_data *)threadarg;
    cout << "Thread ID : " << my_data->thread_id;
    cout << " Message : " << my_data->message << endl;
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    struct thread_data td[NUM_THREADS];
    int rc, i;

    for (i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        cout << "main() : creating thread, " << i << endl;
        td[i].thread_id = i;
        td[i].message = "This is message";
        rc = pthread_create(&threads[i], NULL, PrintHello, (void *)&td[i]);
        if (rc) {
            cout << "Error: unable to create thread, " << rc << endl;
            exit(-1);
        }
    }
    pthread_exit(NULL);
}

线程连接与分离

两个核心函数：

pthread_join(threadid, status)   // 阻塞等待线程结束
pthread_detach(threadid)         // 标记为分离状态，资源自动回收

pthread_join() 会阻塞调用线程直到目标线程终止。线程创建时可指定为可连接或分离状态，仅可连接线程可被 join，分离线程不可连接。

示例：使用 join 等待线程完成

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;
#define NUM_THREADS 5

void *wait(void *t) {
    long tid = (long)t;
    sleep(1);
    cout << "Sleeping in thread " << endl;
    cout << "Thread with id : " << tid << " ...exiting " << endl;
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    int rc, i;
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    pthread_attr_t attr;
    void *status;

    // 初始化属性并设置为可连接
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);

    for (i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        cout << "main() : creating thread, " << i << endl;
        rc = pthread_create(&threads[i], &attr, wait, (void *)i);
        if (rc) {
            cout << "Error: unable to create thread, " << rc << endl;
            exit(-1);
        }
    }

    pthread_attr_destroy(&attr);  // 释放属性对象

    for (i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        rc = pthread_join(threads[i], &status);
        if (rc) {
            cout << "Error: unable to join, " << rc << endl;
            exit(-1);
        }
        cout << "Main: completed thread id :" << i;
        cout << " exiting with status :" << status << endl;
    }
    cout << "Main: program exiting." << endl;
    pthread_exit(NULL);
}

现代 C++ 建议

C++11 起标准库提供 <thread>、<mutex>、<condition_variable> 等跨平台多线程设施，推荐优先使用标准库以提高可移植性与安全性。Pthreads 适用于遗留代码维护或需精细控制 POSIX 特性的场景。