[C++高频精进] 并发编程：线程基础

核心要点速览

• 线程 vs 进程：进程是资源分配单位（独立内存），线程是调度单位（共享进程内存），线程通信成本更低
• 线程创建：std::thread支持函数、Lambda、函数对象三种方式
• 线程管理：join()等待回收、detach()分离（慎用）、joinable()检查状态
• 线程标识：std::this_thread::get_id()获取 ID，std::thread::id判断唯一性
• 线程状态：就绪、运行、阻塞、终止
• 常用接口： std::this_thread 命名空间提供 sleep_for、sleep_until、yield 等工具函数。

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一、线程的概念

1. 进程与线程的区别

特性	进程 (Process)	线程 (Thread)
定义	程序的一次执行实例，资源分配的最小单位。	进程内的执行单元，调度的最小单位。
资源	独立的代码、数据、堆栈空间。	共享进程的代码、全局数据，独立的栈和寄存器。
隔离	地址空间独立 (高隔离性)。	共享进程地址空间 (低隔离性)。
通信	进程间通信 (IPC)，开销大。	直接共享数据，开销小。
开销	创建、切换、销毁开销大。	创建、切换、销毁开销小 (轻量化)。

2. 线程的优势

• 并发执行多个任务，提升程序响应速度。
• 充分利用多核 CPU 资源，提高 CPU 利用率。
• 比进程更轻量，资源消耗少、调度效率高。

3. 用户线程 vs 内核线程

• 用户线程：用户空间管理，不依赖内核，创建销毁快，但内核无法感知，调度需用户实现。
• 内核线程：内核空间管理，内核直接调度，支持真正并行，但创建销毁开销比用户线程高。
• 常见映射：1:1（内核线程对应用户线程）、M:N（多个用户线程映射到多个内核线程）。

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二、线程创建（std::thread）

C++11 std::thread标准化线程操作，跨平台兼容，无需依赖平台 API。

创建方式

• 函数 / 函数指针：

    void func(int a) { /* 线程逻辑 */ }
    std::thread t(func, 10);

• Lambda 表达式： 简洁高效，可捕获外部变量（需注意捕获权限与生命周期）。

    std::thread t([]{ 
        std::cout << "Lambda 线程" << std::endl; 
    });

• 类成员函数： 需传递成员函数指针、对象指针（或引用）及参数。

    class Task {public:
        void run(int a) { /* 线程逻辑 */ }};
    Task task;
    std::thread t(&Task::run, &task, 20); // &task 为对象指针

注意事项

• 线程创建后需立即管理（join()或detach()），否则析构时抛出std::terminate异常。
• 传递参数时，默认按值拷贝，需传递引用时用std::ref/std::cref（避免拷贝开销或悬垂引用）。

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三、线程生命周期与管理

1. 线程状态

• 就绪：已创建，等待 CPU 调度（具备运行条件）。
• 运行：占用 CPU，执行线程逻辑。
• 阻塞：因等待资源（如锁、IO）暂停执行，释放 CPU。
• 终止：线程执行完毕或被强制终止，资源等待回收。

2. 线程管理函数

（1）join()

• 功能：主线程阻塞，等待子线程执行完毕后再继续，回收子线程资源（避免 “僵尸线程”）。
• 限制：一个线程只能调用一次join()，调用后joinable()返回false。

（2）detach()

• 功能：主线程与子线程分离，子线程后台运行，主线程不等待。
• 风险：子线程依赖的主线程资源（如局部变量）可能提前释放，导致悬垂引用（崩溃风险）。
• 适用场景：子线程逻辑独立，不依赖主线程局部资源，且无需主线程等待。

（3）joinable()

• 功能：检查线程是否可join（未调用join()/detach()，且线程未终止）。
• 用途：避免重复join或detach导致的未定义行为（如join()已调用的线程）。

3. 僵尸线程与孤儿线程

• 僵尸线程 (Zombie)： 子线程已终止，但主线程未调用 join() 回收其进程控制块 (PCB) 资源，导致资源泄漏。

  • 危害： 长期积累会耗尽系统资源。
  • 避免： 必须 join() 或 detach()。

• 孤儿线程 (Orphan)： 主线程先于子线程退出，子线程被操作系统托管给 init 进程 (Linux) 或系统进程 (Windows)，由托管进程负责回收。

  • 特点： 不会导致资源泄漏，但其执行逻辑必须是独立的。

4. std::this_thread 常用接口

std::this_thread 命名空间用于操作当前正在执行的线程：

接口	功能	示例
sleep_for(d)	让当前线程休眠指定时长，释放 CPU。	sleep_for(chrono::seconds(1));
sleep_until(tp)	让当前线程休眠到指定时间点。	适用于定时任务。
yield()	当前线程主动让出 CPU 给同优先级的就绪线程，自身回到就绪态。	适用于提升公平性，避免长时间占用 CPU。
get_id()	获取当前线程的唯一 ID。	cout << this_thread::get_id();

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四、线程标识

• 线程 ID：std::thread::id类型，每个线程有唯一标识（可通过==/!=判断唯一性）。
• 获取方式：
  • 子线程 ID：std::thread t(func); t.get_id();
  • 当前线程 ID：std::this_thread::get_id();
• 特殊 ID：默认构造的std::thread::id表示 “无关联线程”（可判断线程是否有效）。

    std::thread::id default_id; // "无关联线程" ID
    if (t.get_id() != default_id) { 
        // 线程 t 是有效线程
    }

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五、易错

1. 未管理std::thread：创建后未调用join()/detach()，析构时抛异常。
2. detach()后访问主线程局部资源：子线程可能在主线程局部变量销毁后执行，导致悬垂引用。
3. 重复join()：对已join的线程再次调用join()，引发未定义行为（需用joinable()检查）。
4. 线程参数按值传递：需传递引用时未用std::ref，导致拷贝开销或修改无效。
5. 线程对象不允许直接赋值或拷贝（编译报错），必须使用 std::move 转移所有权。