【C++并发编程入门】：线程、互斥锁和条件变量，解锁多线程编程的神秘面纱

# 1. C++并发编程概述

C++并发编程是一个涉及到多线程和多进程编程的复杂领域，它允许开发者利用现代多核处理器的强大能力，提升程序性能和响应速度。在C++11及更高版本的标准中，提供了丰富的并发API，使得并发编程更加安全和高效。

并发编程首先需要理解的核心概念包括线程和进程。线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它是进程中的一个实体，被系统独立调度和分派的基本单位。线程与进程的主要区别在于，线程共享进程资源，而进程间是独立的。

在本章中，我们将概览C++并发编程的基础知识，为后续章节中对线程创建、管理、同步机制、原子操作等方面的深入讨论打下坚实基础。为了更好地理解并发编程，你需要熟悉操作系统的基本原理，并了解C++的基本语法和特性。接下来，我们将探索线程的创建与管理，并进一步深入至互斥锁、条件变量以及原子操作的高级特性，每一部分都将详细解读并提供实用的代码示例。

# 2. 线程的创建与管理

### 2.1 线程基础概念

#### 2.1.1 什么是线程

在操作系统中，线程是一种能够执行程序代码的轻量级进程。与进程相比，线程是更为基本的操作单位，因为一个进程可以包含多个线程。线程之间共享进程资源，如内存空间和文件句柄，而独立执行，每个线程有自己的程序计数器、寄存器集合和栈。由于共享进程资源，线程之间的上下文切换成本相对较低，这使得多线程编程在现代计算机系统中能够更高效地利用多核和多处理器的优势。

// 示例代码展示如何在C++中创建线程
#include <iostream>
#include <thread>

void print_id(int id) {
    // 执行线程的函数
    std::cout << "ID of thread is: " << id << std::endl;
}

int main() {
    std::thread threads[10]; // 创建10个线程的容器

    // 为每个线程创建一个线程对象并启动
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
        threads[i] = std::thread(print_id, i);

    std::cout << "Finished all threads" << std::endl;

    return 0;
}

在这段代码中，我们创建了一个包含10个线程的数组，并用`std::thread`类的实例化对象为每个线程指定了一个要执行的函数`print_id`和一个参数`i`。这演示了如何创建和启动线程，而`std::cout`则用于输出线程ID。

#### 2.1.2 线程与进程的区别

进程和线程都是操作系统并发执行任务的方式，但它们在并发级别和资源管理上存在重要差异。进程是一个独立的执行环境，拥有自己的一套资源和状态。而线程运行在进程的地址空间内，共享资源并依赖于进程。创建进程的开销比创建线程的开销要大得多，因为进程需要独立的内存空间和系统资源。相反，线程之间通过共享内存交换数据，通信成本较低，但同时需要更细致的管理来避免资源冲突。

### 2.2 线程的创建与使用

#### 2.2.1 使用std::thread类创建线程

C++11引入了`std::thread`类，使得线程的创建和管理变得简单而直观。使用`std::thread`可以轻松创建线程并指定它要执行的函数和参数。创建线程后，它将与主线程并发执行，直到它完成任务，或者被显式地加入（join）或者分离（detach）。

#include <thread>

void function() {
    // 一些需要执行的代码
}

int main() {
    std::thread myThread(function); // 创建线程并启动
    myThread.join(); // 等待线程完成
    return 0;
}

在这段代码中，我们创建了一个名为`myThread`的线程对象，它运行`function`函数。调用`join()`方法会使主线程等待`myThread`线程完成，保证所有资源都被正确释放。

#### 2.2.2 线程的启动、同步和终止

线程的生命周期由启动、执行和终止三个基本阶段组成。启动线程意味着操作系统开始调度该线程执行；同步线程通常涉及多个线程间协调以避免竞态条件和死锁；终止线程可以由线程自身完成，也可以通过其他线程强制终止，但这可能需要确保所有资源得到正确释放，以避免内存泄漏或其他资源冲突。

#include <iostream>
#include <thread>

void worker() {
    // 执行任务
}

int main() {
    std::thread t(worker); // 启动线程

    // 等待线程完成
    t.join();
    std::cout << "Thread has finished execution" << std::endl;
    return 0;
}

在这段示例代码中，我们启动了一个名为`t`的线程对象，并执行`worker`函数。主函数中调用`join()`以等待线程`t`完成其任务。

### 2.3 线程的高级特性

#### 2.3.1 线程局部存储（TLS）

线程局部存储（Thread Local Storage, TLS）是一种为每个线程提供变量独立副本的技术。在多线程程序中，TLS允许每个线程拥有自己独立的数据存储，这样线程就可以保持数据状态，而不会与其他线程共享或干扰。C++11标准提供了`thread_local`关键字来声明TLS变量。

#include <iostream>
#include <thread>

thread_local int local_var = 10; // TLS变量

void thread_function() {
    local_var += 2;
    std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id()
              << " var: " << local_var << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(thread_function);
    std::thread t2(thread_function);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

此代码定义了一个`thread_local`变量`local_var`。当多个线程执行`thread_function`时，每个线程都会拥有`local_var`的独立实例。

#### 2.3.2 线程属性与线程组

C++11标准库提供了`std::thread`类的`get_id`方法来获取线程的唯一标识符，以及`hardware_concurrency`函数来查询硬件支持的并行线程数量。更高级的特性可以通过`std::thread`类的其他方法访问，例如设置线程的堆栈大小或线程的调度策略，尽管这些功能通常依赖于操作系统支持。

C++20引入了`std::jthread`，它提供了在构造函数中接受一个可调用对象的能力，并且当`std::jthread`对象被销毁时，它会自动加入。这有助于避免资源泄露和确保线程在退出前正确执行清理工作。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>

void print_number(std::thread::id this_id) {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    std::cout << "Thread: " << this_id << '\n';
}

int main() {
    std::jthread threads[10];
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
        threads[i] = std::jthread(print_number, std::ref(threads[i].get_id()));

    for (auto& t : threads)
        t.join();

    return 0;
}

以上示例展示了`std::jthread`的使用，其中10个线程在构造时就指定了要执行的函数以及线程对象自身的ID作为参数。在每个线程中，使用`std::this_thread::sleep_for`来模拟耗时操作，然后输出当前线程的ID。由于`std::jthread`自动加入，主线程中不再需要显式调用`join`。

以上为第二章“线程的创建与管理”的内容概览，详细解释了线程的基础概念，并指导如何在C++中使用标准库进行线程的创建和管理。包含了对线程基础概念的深入讲解，线程的创建和使用的具体操作，以及对线程局部存储和线程属性的高级特性讨论。在本章节中，通过代码示例、表格和流程图等多种形式，使读者能更直观地理解多线程编程的基本操作和概念。

# 3. 互斥锁与线程同步

在多线程编程中，线程同步是保证数据安全和程序正确运行的核心机制之一。互斥锁（Mutex）是最常见的同步工具，用于控制对共享资源的互斥访问。本章将深入探讨互斥锁的基本原理、使用方法，以及其它同步机制的应用。

## 3.1 互斥锁的基本原理

### 3.1.1 什么是互斥锁

互斥锁是一种广泛使用的同步机制，它通过一个可以被锁定和解锁的互斥量（Mutex）来防止多个线程同时访问某个共享资源。当一个线程锁定了一个互斥锁时，其他尝试访问这个资源的线程必须等待，直到该互斥锁被解锁。

互斥锁确保了某一时刻只有一个线程可以进入临界区（Critical Section）——访问共享资源的代码段。互斥锁通常用于保护数据结构在并发环境下的一致性和完整性。

### 3.1.2 互斥锁的工作机制

互斥锁有多种状态，通常有两种基本状态：锁定（Locked）和解锁（Unlocked）。当锁未被锁定时，任何线程都可以锁定它，并进入临界区。一旦线程进入临界区，其他线程在被允许进入前必须等待锁被释放。

锁定机制通常包括以下步骤：

1. 锁定操作：如果锁当前是解锁状态，则锁定成功，线程可以继续执行临界区代码。
2. 等待操作：如果锁被其他线程锁定，则当前线程必须等待，直到锁被解锁。
3. 解锁操作：当线程执行完临界区代码后，它必须解锁互斥锁，使得其他等待的线程有机会获得锁。

大多数现代操作系统都提供了互斥锁的实现，支持原子操作保证线程安全。

## 3.2 互斥锁的使用与实践

### 3.2.1 std::mutex的使用

在C++标准库中，`std::mutex`提供了互斥锁的基本功能。通过`std::mutex`，开发者可以创建互斥量对象，并使用其成员函数`lock()`和`unlock()`进行锁定和解锁操作。为了简化使用，C++11还引