C++ 框架中实现并发和多线程处理的常见模式

在现代软件开发中，随着硬件性能的提升和多核处理器的普及，并发和多线程编程变得越来越重要。C++作为一种高级编程语言，提供了丰富的工具和框架来实现并发和多线程处理。本文将介绍在C++框架中常见的并发和多线程处理模式。

线程创建与管理

std::thread

C++11引入了标准库中的std::thread类，用于创建和管理线程。使用std::thread，我们可以创建新线程并指定其要执行的函数或可调用对象。

#include <iostream>
#include <thread>
void foo() {
    std::cout << "Running in a separate thread" << std::endl;
}
int main() {
    std::thread t(foo);
    t.join(); // 等待线程t执行完毕
    return 0;
}

在上述代码中，我们创建了一个新线程t来执行函数foo。主线程通过调用join函数等待新线程执行完毕。

线程池

线程池是一种预先创建的线程集合，可以复用线程来处理多个任务，从而避免频繁创建和销毁线程带来的开销。Boost库提供了线程池的实现，也有第三方库如ThreadPool。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <thread>
#include <queue>
#include <functional>
#include <condition_variable>
class ThreadPool {
public:
    ThreadPool(size_t threads);
    ~ThreadPool();
    template <class F, class... Args>
    auto enqueue(F&& f, Args&&... args) 
        -> std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type>;
private:
    // 处理线程池中的任务
    std::vector<std::thread> workers;
    // 存储任务的队列
    std::queue<std::function<void()>> tasks;
    // 同步机制
    std::mutex queue_mutex;
    std::condition_variable condition;
    bool stop;
};
inline ThreadPool::ThreadPool(size_t threads)
    : stop(false) {
    for (size_t i = 0; i < threads; ++i)
        workers.emplace_back(
            [this] {
                for (;;) {
                    std::function<void()> task;
                    {   
                        std::unique_lock<std::mutex> lock(this->queue_mutex);
                        this->condition.wait(lock,
                            [this] { return this->stop || !this->tasks.empty(); });
                        if (this->stop && this->tasks.empty())
                            return;
                        task = std::move(this->tasks.front());
                        this->tasks.pop();
                    }
                    task();
                }
            }
        );
}
template <class F, class... Args>
auto ThreadPool::enqueue(F&& f, Args&&... args) 
    -> std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type>
{
    using return_type = typename std::result_of<F(Args...)>::type;
    auto task = std::make_shared<std::packaged_task<return_type()>>(
        std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...)
    );
    std::future<return_type> res = task->get_future();
    {   
        std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
        if (stop)
            throw std::runtime_error("enqueue on stopped ThreadPool");
        tasks.emplace([task](){ (*task)(); });
    }
    condition.notify_one();
    return res;
}
inline ThreadPool::~ThreadPool() {
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
        stop = true;
    }
    condition.notify_all();
    for (std::thread &worker: workers)
        worker.join();
}

上面的代码展示了一个基本的线程池实现。ThreadPool类管理了一组工作线程和一个任务队列，支持任务的异步提交。

任务调度与同步

std::async

std::async是C++11中引入的另一个用于并发执行任务的工具。它允许我们启动一个异步任务，并返回一个std::future对象，该对象可以用于获取任务的返回值。

#include <iostream>
#include <future>
int foo() {
    return 42;
}
int main() {
    std::future<int> result = std::async(std::launch::async, foo);
    std::cout << "The answer is " << result.get() << std::endl;
    return 0;
}

在上述代码中，我们使用std::async启动了一个异步任务foo，并通过std::future对象result获取并打印了该任务的返回值。

同步原语

为了确保多线程访问共享资源时的一致性和正确性，我们需要使用同步原语，例如互斥量、条件变量和锁。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx;
void print_thread_id(int id) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    std::cout << "Thread ID: " << id << std::endl;
}
int main() {
    std::thread t1(print_thread_id, 1);
    std::thread t2(print_thread_id, 2);
    
    t1.join();
    t2.join();
    
    return 0;
}

在上述代码中，我们使用std::mutex和std::lock_guard确保对标准输出的访问是线程安全的。

总结

C++提供了多种并发和多线程处理模式，包括直接使用std::thread创建和管理线程，使用线程池优化线程创建开销，以及使用std::async进行任务调度。同时，通过使用互斥量和条件变量等同步原语，我们可以确保多线程程序的正确性和一致性。合理运用这些模式，可以大幅提升程序的性能和响应速度。