16 多线程编程之线程基本概念

在前面一篇中，我们概述了C++中的异常处理机制，并深入探讨了如何设计异常安全的代码。在本篇中，我们将转向多线程编程，首先了解线程的基本概念。线程是程序执行的基本单元，通过对线程的掌握，我们可以更好地应对并发编程带来的挑战。

线程的基本概念

在操作系统中，线程是进程中的一个执行单元，每个进程可以拥有多个线程。线程共享进程的资源如内存、文件描述符等，但每个线程都有自己的栈和寄存器。由于线程共享资源，因此进行多线程编程时，保证线程安全是一个重要的任务。

线程的创建

在C++中，使用std::thread类来创建和管理线程。以下是一个简单的示例，展示如何创建和运行一个线程：

#include <iostream>
#include <thread>

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

int main() {
    std::thread t(hello); // 创建并启动线程
    t.join(); // 等待线程完成
    return 0;
}

在这个示例中，我们定义了一个简单的函数hello，它将在新线程中执行。我们使用std::thread创建一个线程并传入函数，然后通过join方法等待线程完成。

线程的状态

线程的状态可以分为以下几种：

1. 可运行（Runnable）：线程可以被运行，但不一定正在运行。
2. 运行（Running）：线程正在执行代码。
3. 阻塞（Blocked）：线程在等待某个事件（例如等待I/O操作完成）。
4. 死亡（Dead）：线程执行完成或被终止。

示例：线程的基本状态

下面的代码展示了如何在不同状态之间切换：

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

void task() {
    std::cout << "Task started" << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3)); // 模拟长时间运行的任务
    std::cout << "Task completed" << std::endl;
}

int main() {
    std::cout << "Creating thread..." << std::endl;
    std::thread t(task);
    
    if (t.joinable()) {
        std::cout << "Thread is joinable" << std::endl;
    }

    t.join(); // 等待任务完成
    std::cout << "Thread joined" << std::endl;

    return 0;
}

在这个示例中，线程开始执行时会进入可运行状态，随后由于sleep_for函数，它会进入阻塞状态，直到任务完成并返回到主线程。

线程的生命周期

线程的生命周期主要包括以下几个阶段：

1. 创建：通过std::thread类创建时，线程处于可运行状态。
2. 运行：一旦得到CPU时间片，它会转为运行状态。
3. 阻塞：在等待某个操作完成时，如I/O操作。
4. 死亡：当线程的执行代码完成，线程进入死亡状态。此时，资源会被回收。

结论

在本篇中，我们多侧面探讨了C++线程的基本概念，包括线程的创建、状态以及生命周期的变化。这些知识是我们进一步深入多线程编程的基础，为后续讲解互斥量与条件变量等内容打下了良好的基础。

在下篇中，我们将深入如何使用互斥量和条件变量来管理线程之间的共享资源，确保线程安全，防止竞争条件的发生。富有挑战性的并发编程正等待着我们去探索，相信这些技术会帮助我们写出更健壮的程序。