学懂C++（二十二）：高级教程——深入理解 C++ 多线程基础理论和概念
目录
1、线程与进程
进程
线程
区别与联系
2、并发与并行
并发
并行
3、线程的生命周期
创建（Create）
就绪（Ready）
运行（Running）
等待（Blocked/Waiting）
完成（Terminated）
4、线程调度
调度方式
线程优先级
5、线程调度示例
C++ 标准库
Windows API
在现代软件开发中，多线程编程是一个非常重要的领域。它允许程序在同一时间内执行多个任务，从而提高程序的效率和响应性。本文将深入探讨 C++ 多线程的基础理论和概念，并通过实例代码更好地理解和掌握这些知识。
1、线程与进程
进程
定义： 进程是一个运行中的程序实例，包括程序代码、数据、进程控制块(PCB)等。
特征： 1、进程拥有独立的内存空间，相互之间不能直接访问内存。
2、进程间通讯 (IPC) 方法包括管道、消息队列、共享内存等。
开销： 创建、销毁进程和进程间切换的开销较大。
线程
定义： 线程是进程中的一个执行单元，一个进程可以包含多个线程。线程拥有独立的栈和寄存器，但共享进程的堆和全局变量。
特征： 线程之间可以直接共享数据，这使得线程间通信更高效，但也带来了数据竞争问题。
开销： 线程的创建、销毁和线程间切换开销较小于进程。
区别与联系
区别：
1. 进程有独立的内存空间，线程共享进程的内存空间。
2. 进程间通讯复杂且开销大，线程间通讯简单但需要注意同步。
联系： 线程是进程的一部分，一个进程至少有一个主线程，多个线程可以并发执行。
2、并发与并行
并发
定义： 在单个处理器上，通过时间片轮转，实现多个任务在同一时间段内交替执行。目的是提高程序的响应性。
应用场景： 服务器处理多个客户端请求，图形界面程序响应用户操作。
并行
定义： 在多处理器或多核系统上，同时执行多个任务。目的是提高程序的执行效率。
应用场景： 计算密集型任务分布到多个核上并行计算，如图像处理、科学计算。
3、线程的生命周期
创建（Create）
通过调用 std::thread 构造函数或 Windows API CreateThread 创建新线程。新线程进入可执行状态。
就绪（Ready）
线程已经准备好执行，等待 CPU 调度。处于就绪队列中。
运行（Running）
线程获得 CPU 时间片开始执行。执行完时间片后进入就绪或等待状态。
等待（Blocked/Waiting）
线程等待某个条件或事件发生，如等待 I/O 操作完成、等待互斥量、条件变量等。等待事件发生后，重新进入就绪状态。
完成（Terminated）
线程的任务执行完毕或被终止。线程退出并释放资源。
4、线程调度
调度方式
- 先来先服务 (FCFS)： 按线程到达顺序调度。
- 时间片轮转 (Round-Robin)： 每个线程分配固定的时间片，时间片用完后切换到下一个线程。
- 优先级调度： 按线程优先级调度，高优先级线程优先执行。
线程优先级
定义： 每个线程分配一个优先级，优先级高的线程获得更多的 CPU 时间。
设置方法：
- 使用标准库： C++ 标准库没有直接提供设置线程优先级的接口，可以通过操作系统 API 实现。
- Windows API：
SetThreadPriority函数设置线程优先级。
线程优先级的影响：
- 高优先级线程可以优先获得 CPU 时间，低优先级线程可能长时间得不到执行。
- 不当的优先级设置可能导致优先级反转问题，即低优先级线程持有高优先级线程需要的资源，导致高优先级线程长时间等待。
5、线程调度示例
C++ 标准库
#include <iostream>
#include <thread>// 线程函数
void threadFunction() {std::cout << "Thread is running!" << std::endl;
}int main() {// 创建线程std::thread t(threadFunction);// 等待线程完成t.join();return 0;
}
Windows API
#include <windows.h>
#include <iostream>// 线程函数
DWORD WINAPI ThreadFunction(LPVOID lpParam) {std::cout << "Thread is running!" << std::endl;return 0;
}int main() {// 创建线程HANDLE hThread = CreateThread(NULL, // 默认安全属性0, // 默认堆栈大小ThreadFunction, // 线程函数NULL, // 线程函数参数0, // 默认创建标志NULL // 获取线程ID);// 等待线程完成WaitForSingleObject(hThread, INFINITE);// 关闭线程句柄CloseHandle(hThread);return 0;
}
通过理解和掌握这些基础理论和概念，可以为深入学习和实践 C++ 多线程编程奠定坚实的基础。希望本文能帮助读者更好地理解和应用多线程编程技术。