【C/C++】c++11引入的thread标准库和POSIX的pthread

thread vs pthread

1 简介

• thread

  • C++标准库的一部分；
  • 面向对象设计：通过类 std::thread 封装线程操作，与 C++ 的 RAII（资源获取即初始化）机制深度集成。
  • 类型安全：参数传递和函数签名由编译器检查，避免类型错误。
  • 异常安全：错误时抛出异常（如 std::system_error），符合 C++ 异常处理机制。

• pthread

  • POSIX标准下的线程库，主要在类unix系统中使用。
  • C 语言函数库：基于函数式接口（如 pthread_create），需要手动管理线程生命周期。
  • 显式资源管理：需手动初始化/销毁互斥锁、条件变量等资源。可能有类型安全问题，eg. 需要将参数转换为void*
  • 错误码返回：通过返回值传递错误码（如 EAGAIN），需程序员显式处理。

2 使用

• thread

  • 创建
    使用std::thread对象，构造函数传入函数和参数；

  #include 
  void task(int arg) { /* ... */ }
  std::thread t(task, 42); // 自动推断参数类型
  t.join(); // 等待线程结束
  

  • 销毁
    线程对象析构时，若未调用 join() 或 detach()，程序会终止（通过 std::terminate）

• pthread

  • 创建
    显式调用pthread_create，并传入函数指针和参数

  #include 
  void* task(void* arg) { /* ... */ return NULL; }
  pthread_t tid;
  int ret = pthread_create(&tid, NULL, task, (void*)42); // 需手动转换类型
  pthread_join(tid, NULL); // 等待线程结束
  

  • 销毁
    线程分离需显式调用 pthread_detach，否则可能导致资源泄漏。

3 同步机制

• thread

  • 提供 std::mutex、std::condition_variable 等 RAII 封装。
  • 支持 std::lock_guard 和 std::unique_lock 自动管理锁生命周期：

    std::mutex mtx;
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 自动加锁/解锁
        // 临界区操作
    }
    

• pthread

  • 需手动初始化和销毁同步原语（如 pthread_mutex_init/pthread_mutex_destroy）。
  • 显式加锁/解锁：

    pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    pthread_mutex_lock(&mtx);
    // 临界区操作
    pthread_mutex_unlock(&mtx);
    

4 线程局部存储（TLS）

• thread
  • 使用 thread_local 关键字声明线程局部变量：

    thread_local int counter = 0; // 每个线程独立实例
    

• pthread
  • 需通过 pthread_key_create、pthread_setspecific 和 pthread_getspecific 管理 TLS：

    pthread_key_t key;
    pthread_key_create(&key, NULL);
    pthread_setspecific(key, (void*)value); // 设置线程特定数据
    void* data = pthread_getspecific(key);  // 获取数据
    

5 错误处理

• thread：
  • 异常驱动：如线程创建失败时抛出 std::system_error。
  • 可以通过捕获异常并提取错误码来模拟“错误码”机制，避免异常传播对性能的潜在影响
    • 实现思路：通过 try-catch 块捕获线程创建时的异常，从异常对象中提取系统错误码，将其转换为整数或自定义错误码返回给调用者。

    #include 
    #include 
    #include 
    
    // 封装线程创建函数，返回错误码（0 表示成功）
    int create_thread_with_error_code(std::thread& thread, void(*func)(int), int arg) {
        try {
            thread = std::thread(func, arg); // 可能抛出 std::system_error
            return 0; // 成功
        } catch (const std::system_error& e) {
            // 提取错误码
            std::error_code ec = e.code();
            std::cerr << "Error: " << ec.message() << " (code: " << ec.value() << ")\n";
            return ec.value(); // 返回系统错误码
        }
    }
    
    // 示例线程函数
    void task(int arg) {
        // 线程逻辑
    }
    
    int main() {
        std::thread t;
        int err = create_thread_with_error_code(t, task, 42);
    
        if (err != 0) {
            // 处理错误（如资源不足、权限问题等）
            std::cerr << "Failed to create thread (error code: " << err << ")\n";
        } else {
            t.join(); // 等待线程结束
        }
    
        return 0;
    }
    

    • 分析

      • 性能

        • 异常仅在错误时抛出：若线程创建成功（常见场景），try 块的额外开销几乎可以忽略（现代编译器会优化 try 块的无异常路径）。
        • 错误处理局部化：仅在错误发生时捕获异常，避免了异常传播到上层调用栈的开销。
        • 与 pthread 对比：
          • pthread_create 直接返回错误码，无异常机制，理论上略高效。
          • 但实际差异通常微小，除非在超高频创建线程的场景（此类场景本身应避免）。

      • 错误码来源

        • 从 std::system_error::code() 中提取的 std::error_code 对应底层系统错误：
          • Linux/macOS：通常映射到 errno（如 EAGAIN、EINVAL）。
          • Windows：映射到 GetLastError() 的错误码。
        • 可通过 ec.value() 获取原始错误码值，与系统文档对照处理。

      • 禁用异常的极端场景
        若编译时禁用 C++ 异常（如 -fno-exceptions），则 std::thread 的构造函数无法抛出异常，其行为是未定义的（通常直接终止程序）。此时需其他方案：

        • 使用 pthread 替代：直接调用 pthread_create（牺牲 C++ 类型安全和 RAII）。
        • 自定义线程包装器：结合 pthread 和 std::thread 的 RAII 封装（复杂且易出错）。

      • 适用场景以及总结

        • 可以模拟错误码机制：通过捕获 std::system_error 并提取错误码，避免异常传播。
        • 性能影响可控：异常仅在错误时抛出，正常路径无额外开销。
        • 兼容性与灵活性：在需要底层控制或禁用异常时，可回退到 pthread。

        通过合理封装，std::thread 既能享受 C++ 的现代特性，又能通过错误码机制满足对性能或传统错误处理风格的需求。

场景	推荐方案
常规 C++ 项目，需类型安全和简洁性	std::thread + 异常捕获转错误码
高频线程创建/销毁，要求极致性能	pthread 直接操作
禁用 C++ 异常	使用 pthread 或平台特定 API

• pthread：
  • 返回错误码：通过返回值判断错误（如 EAGAIN 表示资源不足）。

6 线程取消

• thread：
  • 不提供强制终止线程的机制，需通过共享变量或原子标志协作式退出：

    std::atomic<bool> exit_flag(false);
    std::thread t([&] { while (!exit_flag) { /* ... */ } });
    exit_flag = true; // 通知线程退出
    t.join();
    

• pthread：
  • 支持 pthread_cancel 强制终止线程，但需谨慎处理资源清理（通过 pthread_cleanup_push/pthread_cleanup_pop）。

7 可移植性

• thread
  • 标准库实现，跨平台支持（Windows、Linux、macOS 等）。
• pthread：
  • 主要在类 Unix 系统（Linux、macOS）原生支持，Windows 需第三方库（如 pthreads-win32）。

8 其他

• thread：
  • c++11基础功能完备，但缺少高级特性（如线程优先级设置）。
  • C++17/20 扩展了并行算法和原子操作。
• pthread：
  • 支持更多底层控制（如线程调度策略、优先级、信号处理）。

9 对比

特性	C++11 std::thread	POSIX pthread
设计理念	面向对象，类型安全，RAII	函数式，显式资源管理
可移植性	跨平台（标准 C++ 支持）	类 Unix 系统为主，Windows 需额外库
错误处理	异常机制	返回错误码
同步机制	RAII 封装（自动锁管理）	手动初始化/销毁
线程局部存储	thread_local 关键字	pthread_key_create 等函数
线程取消	协作式（通过标志位）	支持强制终止（pthread_cancel）
适用场景	现代 C++ 项目，强调安全性与可维护性	需要底层控制或兼容旧代码

• 优先 std::thread：若项目基于 C++11 或更新标准，且无需底层控制，推荐使用 std::thread，其代码更简洁、安全。
• 选择 pthread：若需精细控制线程行为（如调度策略），或需兼容旧代码（尤其是跨平台 C 代码），则使用 pthread。