C++ 并发编程基础详解：线程、互斥锁与并发容器

一、引言

随着多核 CPU 的普及，程序对并行性能的需求日益增强。C++11 标准正式引入了原生线程库，使得 C++ 并发编程变得更标准、更可靠。

本篇文章将从零开始，逐步讲解如何在 C++ 中使用线程和同步机制来实现安全高效的并发程序。

二、线程的基本使用（std::thread）

1. 创建线程

cpp复制编辑#include <iostream>
#include <thread>

void hello() {
    std::cout << "Hello from thread!\n";
}

int main() {
    std::thread t(hello);
    t.join(); // 等待线程执行结束
}

输出：

cpp复制编辑Hello from thread!

2. join vs detach

• join()：主线程等待子线程完成；

• detach()：子线程脱离，主线程不会等待。

  cpp复制编辑t.detach(); // 后台执行，不可再 join

三、传递参数给线程

1. 值传递

cpp复制编辑void print_num(int x) {
    std::cout << "Number: " << x << "\n";
}

std::thread t(print_num, 42);

2. 引用传递

cpp复制编辑void print_ref(int& x) {
    x += 10;
}

int a = 5;
std::thread t(print_ref, std::ref(a));

四、线程安全问题与互斥锁（std::mutex）

1. 非线程安全示例

cpp复制编辑int counter = 0;

void increase() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i)
        ++counter;
}

多个线程同时执行将引起数据竞争，结果不可预期。

2. 使用互斥锁

cpp复制编辑#include <mutex>
std::mutex mtx;

void safe_increase() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ++counter;
    }
}

图示：锁粒度控制

pgsql复制编辑Thread A:  lock → update → unlock
Thread B:         wait → lock → update

五、std::lock_guard 与 std::unique_lock

1. lock_guard 简洁封装

cpp复制编辑std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
// 自动加锁和解锁

2. unique_lock 灵活控制

cpp复制编辑std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
lock.unlock(); // 手动释放锁
lock.lock();   // 重新加锁

六、条件变量（std::condition_variable）

用于线程间通信，常用于生产者消费者模型。

1. 示例：等待某个条件

cpp复制编辑std::condition_variable cv;
std::mutex mtx;
bool ready = false;

void worker() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, [] { return ready; });
    std::cout << "Thread is running\n";
}

void notifier() {
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_one(); // 唤醒一个等待线程
}

七、std::future 与 std::async

1. 异步任务执行

cpp复制编辑#include <future>

int compute() {
    return 10 + 20;
}

std::future<int> fut = std::async(compute);
std::cout << fut.get(); // 阻塞直到任务完成

• get()：获取返回值；

• wait()：等待完成但不取值。

八、并发容器简析（C++17 之前）

标准库未提供内建线程安全容器，常见做法：

1. 封装线程安全队列

cpp复制编辑template<typename T>
class ThreadSafeQueue {
    std::queue<T> q;
    std::mutex mtx;
public:
    void push(const T& val) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        q.push(val);
    }

    bool pop(T& val) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        if (q.empty()) return false;
        val = q.front();
        q.pop();
        return true;
    }
};

九、实战案例：多线程日志系统

1. 日志类定义

cpp复制编辑class Logger {
    std::mutex mtx;
    std::ofstream logfile;
public:
    Logger(const std::string& filename) {
        logfile.open(filename);
    }

    void log(const std::string& msg) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        logfile << msg << std::endl;
    }
};

2. 多线程写日志

cpp复制编辑Logger logger("log.txt");

void worker(int id) {
    for (int i = 0; i < 100; ++i) {
        logger.log("Thread " + std::to_string(id) + " log " + std::to_string(i));
    }
}

std::thread t1(worker, 1);
std::thread t2(worker, 2);
t1.join(); t2.join();

保证了线程安全的文件写入。

十、线程池简述（高级话题预览）

C++ 标准库未直接提供线程池，但可以自定义：

cpp复制编辑// 示例略，推荐使用 C++20 或第三方库如 Boost::asio、Intel TBB、ThreadPool++

十一、并发编程中的常见陷阱

问题类型

描述

数据竞争

多线程同时读写同一变量未加锁

死锁

多个线程等待彼此释放资源

活锁

不断尝试但无法推进

虚假唤醒

条件变量唤醒时应配合 while (!cond) 判断

锁粒度过细/过粗

会影响性能或造成资源冲突

十二、C++20 中的新并发特性（简要预览）

• std::jthread：自动 join 的线程封装；

• std::stop_token：线程取消支持；

• std::barrier、std::latch：新同步原语；

• 更强的编译期线程安全检查。

十三、总结与推荐实践

✅ 推荐做法：

• 优先使用 std::thread + mutex + lock_guard；

• 用 std::condition_variable 实现线程协调；

• 用 std::async 替代部分异步手工线程管理；

• 自定义线程安全容器用于共享数据结构。

🚫 不推荐做法：

• 裸使用 pthread（除非跨平台需求）；

• 所有操作都加锁（影响性能）；

• 忽略异常与线程同步带来的边界问题。

十四、结语

C++ 的并发编程虽不如某些语言语法上简洁，但凭借其对性能和控制的绝对把握，仍是系统软件、高性能计算、游戏引擎和金融核心系统的首选语言之一。掌握现代 C++ 的并发工具，将使你在多核时代的开发中游刃有余。

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