C++并发编程实战：从线程基础到高级模式

1. C++并发编程概述

在当今多核处理器普及的时代，掌握并发编程已成为C++开发者的必备技能。我仍然记得第一次尝试用多线程加速图像处理程序时，由于对竞态条件理解不足导致程序随机崩溃的场景。C++11标准引入的线程库彻底改变了C++并发编程的格局，使得编写跨平台的多线程程序不再需要依赖平台特定的API。

并发编程的核心目标是充分利用现代CPU的多核能力，通过任务分解和并行执行来提高程序性能。与传统的单线程程序相比，并发程序能够更好地响应用户交互（如GUI应用），更高效地处理I/O密集型任务（如网络服务器），以及更快速地完成计算密集型工作（如科学计算）。

注意：并发(concurrency)并不等同于并行(parallelism)。并发是指多个任务在重叠的时间段内执行，而并行则是指多个任务真正同时执行。单核CPU上可以通过时间片轮转实现并发，但只有多核CPU才能实现真正的并行。

2. 线程基础与生命周期管理

2.1 线程创建与启动

C++11中创建线程非常简单，只需要包含头文件，然后实例化std::thread对象：

cpp复制#include <iostream>
#include <thread>

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

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

这里有几个关键点需要注意：

1. 线程对象构造时即开始执行
2. 必须明确决定是join()等待线程结束，还是detach()分离线程
3. 线程函数可以接受任意可调用对象（函数指针、lambda、函数对象等）

2.2 线程生命周期管理

线程的生命周期管理是并发编程中最容易出错的地方之一。以下是一个典型的问题场景：

cpp复制void risky_function() {
    std::thread t([]{
        std::cout << "Running in background...\n";
    });
    // 忘记join或detach
}  // 线程对象析构时，若仍可joinable，程序将终止！

正确处理线程生命周期的原则：

• 在std::thread对象销毁前，必须确保线程已经join或detach
• 对于需要长期运行的后台线程，通常选择detach
• 对于需要等待结果的线程，必须使用join

3. 共享数据与同步机制

3.1 竞态条件与数据竞争

当多个线程同时访问共享数据且至少有一个线程在修改数据时，就会发生数据竞争。考虑这个经典例子：

cpp复制int counter = 0;

void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        ++counter;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << counter;  // 结果通常小于200000
}

这个程序几乎永远不会输出预期的200000，因为++counter操作不是原子的，可能被线程切换打断。

3.2 互斥锁(std::mutex)

解决数据竞争的最基本方法是使用互斥锁：

cpp复制std::mutex mtx;
int counter = 0;

void safe_increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        mtx.lock();
        ++counter;
        mtx.unlock();
    }
}

更安全的做法是使用RAII风格的std::lock_guard：

cpp复制void safer_increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ++counter;
    }  // 自动释放锁
}

3.3 条件变量(std::condition_variable)

条件变量用于线程间的通知机制，典型的生产者-消费者模式实现：

cpp复制std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;
std::queue<int> data_queue;

void producer() {
    for (