用进行多线程开发

小时候，老师总是教育我们上课要专心，“一心不可二用”。可是CPU这个不听话的“熊孩子”偏偏却在一个芯片中加入了两个甚至多个运算核心，想要一“芯”二用。从硬件厂商的角度，通过增加CPU的运算核心，突破了原来单核CPU的频率极限，确实可以很大程度上增加CPU的总频率。在他们看来，这简直就是一个天才的创意。可是从软件厂商的角度，CPU运算核心的增加，并没有显著地提高软件的性能表现，有时候甚至会降低软件的性能。在他们看来，这无疑是一场噩梦的开始。

在以往的计算机发展历史中，硬件技术的发展，特别是CPU频率的不断提升，总是同时会提升软件的性能。更重要的是，这种性能的提升是完全免费的，软件什么都不需要做，只要换上新出来的更高频率的CPU，软件就获得更好的性能表现。从286到486，从奔腾到酷睿，每次CPU频率的提升，无不给软件性能带来大幅提升。如果有用户抱怨我们的软件性能不佳，我们也无须着急，只需要坐等Intel或者AMD推出更高频率的CPU并让用户换上就可以了。

但是，当CPU的发展进入多核时代以后，程序员们沮丧地发现，CPU长期提供的这份“免费的午餐”消失了。这是因为当前大多数程序几乎都是针对一个运算核心的CPU而设计的单线程程序。虽然CPU有多个运算核心，但它却只能在其中的某一个运算核心上进行运算，而其他的运算核心并没有得到利用而白白浪费了。虽然CPU的运算核心增加了，总的频率增加了，但是单个运算核心的频率并没有太大变化，所以程序的性能并没有随着CPU运算核心的增加而得到显著的提升。

从单核CPU到多核CPU

浪费是可耻的，更何况我们浪费的是如此宝贵的CPU运算资源。为了把被浪费的CPU运算资源充分地利用起来，唯一的办法就是针对CPU的多个运算核心设计我们的程序，通过将原来由单个线程串行执行的程序并行化，用多线程代替原来的单线程，使其可以同时运行在多个运算核心上，以此来实现对CPU多个运算核心的充分利用。这样，程序的性能又会随着CPU频率的提高而得到提升。

可是，多线程程序的设计并不是一个轻松简单的活儿。在C++11之前，如果我们想要实现一个多线程程序，我们需要使用系统API创建线程，需要小心地维护对共享资源的访问等等。更折磨人的是，多线程增加了程序的设计与实现难度，如果设计错误，多线程不仅不会提升程序的性能，反而可能会降低性能，甚至引起资源互锁而导致程序失去响应。为了简化多线程程序的设计与实现，C++11的标准库专门提供了头文件以支持多线程程序的开发，而那份美味的“免费的午餐”也正在回到我们面前。

利用thread创建线程

C++11中的头文件提供了thread、mutex以及unique_lock等基本对象来对多线程开发中最常用的线程、互斥以及锁等基本概念进行抽象与表达，为多线程程序的实现提供了一个较低抽象层次的编程模型。其中，最基础也最重要的是与线程概念相对应的thread类。线程是对程序中的某个执行或者计算过程的一种表述，而所谓的多线程程序，就是将原来的一个执行过程分成多个过程去执行。由此可见，线程的创建，是实现多线程的基础。可是在以往，要想在程序中创建一个线程，我们不得不针对不同的操作系统调用不同的系统函数，然后还要提供复杂的参数才能完成线程的创建。幸运的是，thread类的出现，大大地简化了这一过程。

thread类对线程概念进行了很好的抽象与实现，从而使得我们可以非常简单地使用一个函数指针(也包括函数对象和Lambda表达式)来构建一个thread对象。而一旦拥有了thread对象，就意味着我们创建了一个线程，也就可以利用thread对象所提供的成员函数对这个线程进行调度，启动、挂起或者停止这个线程，以操作线程完成某个执行过程。例如：

#include // 引入定义thread类的头文件#include  // 使用thread所在的名字空间using namespace std; // 定义需要线程执行的函数和函数对象void ListenMusic(){cout<

在这段代码中，我们利用函数对象类ReadBook的一个read函数对象和指向ListenMusic()函数的函数指针(也就是它的函数名)作为thread类构造函数的参数，分别创建了readthread和listenthread这两个thread对象。thread对象的创建，意味着它将创建新的线程，并开始执行作为构造函数参数传递给thread对象的函数对象或者是函数，通过简单的一个步骤，就完成了线程的创建与启动执行。在多线程环境下，我们将执行主函数并负责创建其它线程的线程称为主线程，而那些被创建的线程则相应地被称为分支线程或工作者线程，其执行的函数则被称为线程函数。在执行的时候，主线程开始进入主函数执行，通过创建两个thread对象而创建了两个分支线程并立即启动执行其线程函数，而与此同时，执行主函数的主线程将继续向下执行。这样，主线程和两个分支线程同时都在执行，操作系统会将它们调度到CPU的多个运算核心去执行，以此达到对CPU多个运算核心的充分利用。当主线程遇到thread对象调用的join()函数后，主线程将等待这个thread对象执行完毕之后，再继续往下执行，直到最后主函数执行完毕，退出整个程序。整个程序的执行流程如下图12-4所示：

多线程程序的执行流程

除了利用thread对象创建新的线程简单地执行某个线程函数之外，就像我们常常需要通过参数与普通函数进行数据传递一样，更多时候，我们也需要向线程函数内传入数据以供其进行处理，或者是从线程函数中传出结果数据。要做到这一点，我们同样需要给线程函数加上参数，跟普通函数类似，如果只是需要向线程函数内传入数据，那就加上传值形式的参数，而如果加上传指针和传引用形式的参数，则既可以传入也可以传出数据。与普通函数在调用时将实际参数复制给函数的形式参数所不同的是，线程函数的形式参数的赋值是在这个函数被用于创建thread对象时完成的。当我们在使用某个带有参数的线程函数创建thread对象时，在thread构造函数的实际参数中，我们不仅要用这个函数指针或者函数对象做第一个参数，同时其后还要依次加上线程函数所需要的各个实际参数。在创建thread对象的时候，这些实际参数会被拷贝复制给线程函数相应的形式参数，以此来实现数据的传递。这里需要注意的是，如果线程函数的参数是传引用形式，那么在创建thread对象的时候，我们需要使用ref()函数获得实际参数的引用才行，否则，即使这个参数是引用形式，它也会被拷贝复制而在线程函数和本地函数间形成两个副本，起不到传出数据的效果。例如，我们需要向上面的ListenMusic()线程函数传入歌曲名并从中传出结果数据：

// 需要传递数据的线程函数// 传值形式的strSong负责向线程函数内传入数据// 传引用形式的vecEar负责向线程函数外传出数据void ListenMusic(string strSong,vector& vecEar){ cout< vecEar; // 用于保存结果数据的容器 string strSong = "歌唱祖国"; // 传入线程函数的数据 // 在创建thread对象时传递数据// 第一个参数是线程函数指针，其后依次是线程函数所需要的参数thread listenthread(ListenMusic,strSong,ref(vecEar)); // …listenthread.join();  // 输出结果数据 for(string strName : vecEar) cout<

利用thread对象，我们可以像调用普通函数一样简单地用thread对象创建另外一个线程来执行我们的线程函数，也可以像与普通函数传递数据一样简单地与线程函数传递数据，从此，一边听着歌还可以一边看着书，轻松开启我们惬意的“一芯二用”的并行生活。

知道更多：线程中的瞌睡虫

在利用线程执行某个任务的时候，我们往往要对线程的执行时间进行控制，让线程在等待一定时间之后再继续执行，或者是在某个事先设定的固定时间点之后执行。这时，我们就需要用到std::this_thread名字空间下的sleep_for()函数和sleep_until()函数来完成对线程执行状态的时间控制了。

sleep_for()函数可以让当前线程(也就是调用这个函数的线程)暂停执行一段时间，等过了这段时间之后再继续恢复执行；而sleep_until()函数则是让当前线程一直暂停，直到某个固定时间点的到来才会继续恢复执行。它们就像两条瞌睡虫，一条可以让线程瞌睡一整天(固定时间段)，而另一条更厉害，可以让线程一直瞌睡到天明(固定时间点)。对于我们来说，瞌睡虫很是讨厌，可是对于线程来说，瞌睡虫却是大有用处。

比如，我们想要模拟一下传说中的2012世界末日，就需要这两条瞌睡虫来让线程瞌睡瞌睡：

#include #include  // 引入线程相关的头文件#include  // 引入时间相关的头文件 using namespace std;using namespace std::chrono; // 使用时间相关的名字空间 int main(){// 构造一个固定时间点：2012年 12月21日零时 tm timeinfo = tm(); timeinfo.tm_year = 112; // 年: 2012 = 1900 + 112timeinfo.tm_mon = 11; // 月：12 = 1 + 11 timeinfo.tm_mday = 21; // 21日time_t tt = mktime(&timeinfo);// 利用time_t类型的变量tt创建一个表示世界末日固定时间点的time_point对象tp system_clock::time_point tp = system_clock::from_time_t (tt); // 当前线程一直瞌睡到tp表示的2012年12月21日零时this_thread::sleep_until(tp);  // 世界末日到了，程序继续恢复执行，响铃10次发出警报for(int i = 0; i < 10; ++i){cout<

在两条瞌睡虫的合作下，我们的模拟程序会首先在sleep_until()的作用下，瞌睡(暂停执行)到tp所表示的固定时间点(2012年12月21日零时)，等到了这个时间点后，程序才会恢复执行。紧接着，程序执行进入一个for循环，每次循环，它都会输出一个计算机响铃，然后又会在sleep_for()这条瞌睡虫的作用下，休眠一秒钟，然后再继续执行下一次循环。整个程序的效果就是到了世界末日，这个程序会发出滴滴滴的警报，告诉我们，世界末日来了，赶紧逃命吧！可是，可是，2012早都过去了，虽然世界末日没来，可这个程序却忠实地准时发出了警报。由此可见，玛雅人忽悠人，还是C++程序更可信。