C++11 多線程入門：std::thread 基礎與最佳實踐

一、C++11 多線程簡介

C++11 標準庫引入 <thread>，提供 std::thread 類管理線程。核心功能：

• 建立線程：std::thread t(callable, args...)。
• 等待結束：t.join() 阻塞當前線程直到 t 結束。
• 分離線程：t.detach() 讓線程獨立運行，主線程不再管理。
• 同步原語：std::mutex、std::recursive_mutex、std::condition_variable、std::lock_guard、std::unique_lock。
• 原子操作：std::atomic<T>、記憶體屏障。
• 非同步任務：std::async、std::future、std::promise、std::packaged_task。

二、std::thread 基本用法

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
using namespace std;

void task(int id) {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        cout << "Thread " << id << ": " << i << '\n';
        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
    }
}

int main() {
    thread t1(task, 1);           // 值傳遞參數
    int x = 10;
    thread t2([&x]{ x = 20; });   // Lambda 捕獲引用
    thread t3(task, 2);

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    cout << "x = " << x << '\n';  // 20
    return 0;
}

三、std::thread 建構函數詳解

注意：可 joinable() 的線程必須在析構前 join() 或 detach()，否則呼叫 std::terminate。

四、參數傳遞：值 vs 引用

void byVal(int n) { n++; }          // 複本
void byRef(int& n) { n++; }         // 原物件

int v = 0;
thread t1(byVal, v);   // v 不變
thread t2(byRef, std::ref(v)); // v 變為 1
t1.join(); t2.join();

預設以值傳遞（複製/移動），需用 std::ref/std::cref 明確傳引用。

五、移動語義與所有權轉移

thread t1(task);
thread t2 = std::move(t1);  // t1 變為空，t2 擁有線程
// t1.join(); // 錯誤：t1 不再 joinable
t2.join();

六、同步機制速覽

mutex + lock_guard (RAII)

mutex mtx;
int counter = 0;
void inc() {
    lock_guard<mutex> lk(mtx);
    ++counter;
}

condition_variable 等待條件

mutex mtx; condition_variable cv; bool ready = false;
void worker() {
    unique_lock<mutex> lk(mtx);
    cv.wait(lk, []{ return ready; });
    // ...
}
void notify() {
    { lock_guard<mutex> lk(mtx); ready = true; }
    cv.notify_one();
}

七、std::async 與 future

future<int> f = async(launch::async, []{ return 42; });
cout << f.get();  // 阻塞直到結果就緒

launch::async 強制新線程，launch::deferred 延遲到 get() 時同步執行。預設由實現決定。

八、最佳實踐建議

1. 優先使用 std::async + future 簡化非同步任務。
2. 共享資料必須用 mutex 保護，或用 atomic 無鎖編程。
3. 線程池：C++17 之前無標準線程池，可用 async 或第三方庫（如 Boost.Thread, Intel TBB）。
4. 避免 detach() 除非極簡單的獨立任務，否則難以管理生命週期。
5. 傳遞大型物件給線程時，考慮 std::move 或 shared_ptr 避免拷貝。

總結

C++11 為多線程提供了標準化、可移植的基礎設施。掌握 thread、mutex、condition_variable、future 核心組件，配合 RAII 鎖與移動語義，即可編寫安全高效的並發程式。進階主題如線程池、無鎖資料結構、平行算法（C++17）可在實踐中逐步深入。