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

一、线程的基本概念

1. 线程与进程

  • 进程：程序的一次执行实例，拥有独立内存空间（代码、数据、堆栈），是资源分配的最小单位。
  • 线程：进程内的执行单元，共享进程的代码、全局数据等资源，拥有独立的栈和寄存器，是调度的最小单位。
  • 核心区别：
    • 资源隔离：进程间地址空间独立，线程间共享进程内存。
    • 通信成本：进程间通信（IPC）需跨地址空间（成本高），线程间直接共享数据（成本低）。
    • 轻量化：线程比进程更轻量，创建、切换、销毁开销更小。

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）。

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。

核心创建方式

  1. 函数 / 函数指针：传递函数地址及参数。
  2. Lambda 表达式：简洁高效，推荐用于短小逻辑。
  3. 类成员函数：传递成员函数指针、对象指针及参数。

关键注意事项

  • 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）。

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）。

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）。

五、易错点

  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。