用C++實現多線程等待線程結束的方法

一、概述

在C++中，多線程編程已成為常見的編程模式。然而，多線程編程有一個較為困難的問題：如何保證多個線程的執行順序，確保某個線程在需要時能夠等待其他線程的結束？本文將介紹一些技巧和方法，以解決這些問題，使得多個線程能夠協調有序地執行。

二、使用std::thread::join方法等待線程結束

C++11中引入了std::thread類，使得線程的創建和管理變得更加容易。其中，join方法可用來等待線程結束。該方法將阻塞直到線程運行結束為止。下面是一個例子：

#include <iostream>
#include <thread>

void threadFunc()
{
    std::cout << "thread function executing" << std::endl;
}

int main()
{
    std::thread t(threadFunc);
    std::cout << "main thread executing" << std::endl;
    t.join();
    std::cout << "thread terminated" << std::endl;
}

在該例子中，首先創建了一個線程t，並調用了它的join方法。在調用join方法之前，線程t的函數threadFunc被執行。join方法的執行將阻塞當前線程（即主線程），直到線程t執行結束。線程t結束後，程序繼續執行，輸出 “thread terminated”。

需要注意的是，每個線程只能被join一次，第二次調用join方法將導致未定義行為。

三、使用std::thread::detach方法將線程和主線程分離

另外一種等待線程結束的方法是使用std::thread::detach方法。當線程被分離後，其生命周期將不再由主線程控制。該方法的調用將立即返回，不會阻塞當前線程。下面是一個例子：

#include <iostream>
#include <thread>

void threadFunc()
{
    std::cout << "thread function executing" << std::endl;
}

int main()
{
    std::thread t(threadFunc);
    std::cout << "main thread executing" << std::endl;
    t.detach();
    std::cout << "thread detached" << std::endl;
    return 0;
}

在該例子中，線程t被創建，然後調用detach方法將其分離。由於線程t已經被分離，不再受主線程的控制，因此主線程在完成自身任務後，將立即退出。因此，在該例子中並沒有輸出 “thread function executing”。

但是需要注意的是，當線程被分離後，它的資源（例如堆棧）將不再被自動釋放，必須手動釋放。

四、使用std::promise和std::future

如果需要某個線程的結果數據，可以使用std::promise和std::future來實現等待線程結束並獲取結果的效果。std::promise是一個可以與std::future配合使用的類模板，它的作用是給線程一個「承諾」，立即返回一個與之相關聯的std::future對象。std::future對象是一個可以用來訪問「承諾」的對象，它提供了等待「承諾」完成並獲取結果的方法。

下面是一個例子：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <future>

void threadFunc(std::promise<int>& p)
{
    std::cout << "thread function executing" << std::endl;
    p.set_value(42);
}

int main()
{
    std::promise<int> p;
    std::future<int> f = p.get_future();
    std::thread t(threadFunc, std::ref(p));
    std::cout << "main thread executing" << std::endl;
    int result = f.get();
    std::cout << "result=" << result << std::endl;
    t.join();
    return 0;
}

在該例子中，首先創建了一個std::promise對象p，並調用它的get_future方法得到一個std::future對象f。然後創建了一個線程t，並將p作為參數傳給線程。在線程函數threadFunc中，將結果值42存入p，主線程調用f的get方法等待線程t的結果。當線程t執行結束後，程序繼續執行，輸出結果。

五、使用std::condition_variable等待線程結束

std::condition_variable是一個同步原語，可以用來在多個線程之間進行等待和通知。當條件不滿足時，線程可以通過wait方法阻塞；當條件滿足時，線程可以通過notify_one或notify_all方法進行通知。使用std::condition_variable可以等待多個線程的運行結束，從而達到等待多個線程結束的效果。

下面是一個例子：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <vector>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;

void threadFunc(int id)
{
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    std::cout << "thread " << id << " executing" << std::endl;
    cv.notify_one();
}

int main()
{
    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        threads.emplace_back(threadFunc, i + 1);
    }
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    cv.wait(lck, [&]() { return threads.empty(); });
    std::cout << "all threads terminated" << std::endl;
    return 0;
}

在該例子中，首先創建了5個線程，並將它們的ID作為參數傳遞給線程函數threadFunc。在線程函數中，輸出線程的ID並通知等待的線程。在主線程中，等待所有線程執行結束。在等待的過程中，主線程通過wait方法阻塞，直到所有線程都執行結束，等待期間condition_variable會釋放鎖。當條件滿足時，主線程繼續執行，輸出 “all threads terminated”。

六、總結

本文介紹了多種等待C++多線程結束的方法，包括使用std::thread::join方法、使用std::thread::detach方法、使用std::promise和std::future以及使用std::condition_variable等待線程結束。選擇合適的方法可以使得多線程編程更加高效而容易。