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= C++多线程概述 =

'''多线程'''是现代编程中提高程序性能的重要技术手段，它允许程序同时执行多个任务。在C++中，多线程支持通过标准库<code><thread></code>及相关组件实现。本章将详细介绍C++多线程的基本概念、核心组件及实际应用。

== 什么是多线程？ ==
多线程是指在一个进程中创建多个'''执行流'''（线程），这些线程共享进程的资源（如内存空间），但拥有独立的调用栈和程序计数器。与单线程程序相比，多线程程序可以：
* '''并行处理任务'''：利用多核CPU提高计算效率。
* '''提高响应性'''：例如在GUI程序中，主线程处理用户交互，后台线程执行耗时操作。

=== 线程 vs 进程 ===
{| class="wikitable"
|-
! 特性 !! 线程 !! 进程
|-
| 资源占用 || 共享进程内存 || 独立内存空间
|-
| 创建开销 || 较小 || 较大
|-
| 通信方式 || 共享变量/同步原语 || IPC（管道、套接字等）
|}

== C++多线程核心组件 ==
C++11起引入的标准库支持多线程编程，主要包含以下头文件：
* <code><thread></code>：线程管理
* <code><mutex></code>：互斥锁
* <code><condition_variable></code>：条件变量
* <code><future></code>：异步操作

=== 基本线程示例 ===
以下代码展示如何创建并运行线程：
<syntaxhighlight lang="cpp">
#include <iostream>
#include <thread>

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

int main() {
    std::thread t(hello); // 创建线程
    t.join();             // 等待线程结束
    return 0;
}
</syntaxhighlight>
'''输出：'''
<pre>
Hello from thread!
</pre>

== 线程同步 ==
多线程共享资源时需解决'''竞态条件'''问题。C++提供多种同步机制：

=== 互斥锁（Mutex） ===
<syntaxhighlight lang="cpp">
#include <mutex>
#include <thread>

std::mutex mtx;
int counter = 0;

void increment() {
    mtx.lock();
    ++counter;
    mtx.unlock();
}
</syntaxhighlight>

=== 使用RAII的<code>lock_guard</code> ===
更安全的锁管理方式：
<syntaxhighlight lang="cpp">
void safe_increment() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    ++counter; // 自动释放锁
}
</syntaxhighlight>

== 实际应用案例 ==
=== 并行计算示例 ===
计算斐波那契数列的并行版本：
<syntaxhighlight lang="cpp">
#include <vector>
#include <future>

int fib(int n) {
    if (n < 2) return n;
    return fib(n-1) + fib(n-2);
}

int main() {
    std::vector<std::future<int>> futures;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        futures.push_back(std::async(std::launch::async, fib, i));
    }
    for (auto &f : futures) {
        std::cout << f.get() << " ";
    }
}
</syntaxhighlight>

== 线程通信 ==
通过条件变量实现生产者-消费者模型：
<mermaid>
graph LR
    Producer-->|push data|Buffer
    Buffer-->|notify|Consumer
    Consumer-->|wait|Buffer
</mermaid>

<syntaxhighlight lang="cpp">
std::condition_variable cv;
std::mutex mtx;
std::queue<int> data_queue;

void producer() {
    while (true) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        data_queue.push(42);
        cv.notify_one();
    }
}

void consumer() {
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        cv.wait(lock, []{ return !data_queue.empty(); });
        int data = data_queue.front();
        data_queue.pop();
    }
}
</syntaxhighlight>

== 性能考量 ==
多线程编程需注意：
* '''线程开销'''：线程创建/销毁成本
* '''虚假共享'''：多个线程频繁修改同一缓存行的不同变量
* '''锁粒度'''：过粗降低并行性，过细增加锁开销

数学上，Amdahl定律描述了并行加速上限：
<math>
S = \frac{1}{(1 - p) + \frac{p}{n}}
</math>
其中<math>p</math>为并行部分比例，<math>n</math>为处理器数量。

== 总结 ==
C++多线程编程提供了强大的并发工具，但需要谨慎处理同步问题。关键点包括：
* 使用<code>std::thread</code>管理线程生命周期
* 通过互斥锁保护共享数据
* 条件变量实现线程间通信
* 异步操作简化并行任务

掌握这些概念后，开发者可以构建高效、响应迅速的多线程应用程序。

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