一、引言

很多C++程序员第一次写多线程代码时，都有类似的感受：std::thread t(f);这一行一写完，好像凭空多出一条执行线，程序自然而然就开始并行跑了。如果只停留在这个层面，你很难自觉地判断自己在做什么，譬如到底开了多少线程、这些线程在哪里跑、什么时候结束、资源谁来回收，以及它们和锁、条件变量之间到底是什么关系。要把多线程系统写稳定，就要好好了解学习std::thread真正的东西。

二、操作系统中的线程

在操作系统眼里，进程是一个独立的资源容器，里面由虚拟地址空间、打开的文件、各种内核对象以及至少一条执行路径。线程则是进程内部的“可调实体”，它有自己的寄存器上下文（程序计数器、通用寄存器等）、自己的栈和线程ID,但和统一进程里的其他线程共享代码段、堆、全局数据和打开的文件。调度器真正参与调度的是线程而不是进程，它会维护一个就绪队列，在每个CPU核心空闲或时间片用完时，选择一条线程来运行。这意味着，当你在C++里创建一个std::thread时，实际上就是向操作系统提出了“请帮我创建一条新轨道，让它沿着同一个地址空间跑”的请求。下图可以帮助你在脑海里建立一个直观模型：左边是三个线程，右边是它们所属的同一个进程的地址空间，每个线程都通过内核调度器在这块空间内执行代码并访问共享数据。

三、std::thread做了什么

当你写下std::thread t(work,42);时，C++标准库首先会把work和参数打包成一个可调用的对象，然后用底层平台的线程创建API。在Linux上，这通常时pthread_create，它会在内核中为新线程分配TCB（线程控制块）、栈空间、初始化寄存器状态，并把入口函数设置为标准库内部的一个“启动器”，这个启动器再去调用你传进去的work,42.内核把这个新线程插入调度队列后，在某个时间点就会让它在某个CPU核心上运行，而调用std::thread构造函数的那个线程则继续往下执行。一个最小的例子就能反映出这种“主线程+工作线程”的关系：

#include <thread>
#include <iostream>
void work(int id) {
    std::cout << "Hello from thread " << id << "\n";
}
int main() {
    std::thread t1(work, 1);
    std::thread t2(work, 2);
    std::cout << "Hello from main\n";
    t1.join();
    t2.join();
}

这里main线程和t1、t2同时存在，每个线程都在自己的栈上执行代码，它们通过共享的标准输出流向终端打印内容、不同执行顺序下输出的行顺序可能会发生变化，但程序整体在三个线程全部接收之后才会退出。

四、线程生命周期管理

创建线程只是第一步，真正的工程问题在于如何管理他们的生命周期。每个线程结束时，都需要有一个“收尸者”来回收它占用的内核资源，比如线程栈、TCB等。在POSIX线程模型里，一个线程如果没有被pthread_join，就会留下所谓的“僵尸线程”。在C++标准库里，std::thread对象就扮演了这位“收尸者”的角色，当你调用t.join()时，当前线程会阻塞等待t对应的OS线程结束，然后内部调用底层join原语完成资源回收。如果你调用t.detach()，则表示“我不在关心这个线程何时结束”，从此std::thread对象与OS线程分离，线程结束时资源由运行时自动回收，程序再也无法join它。因此，一个非常重要的规则是：在std::thread对象销毁前，你必须显式地选择join或detach，否则程序会调用std::terminate直接结束。下面这段代码演示了错误用法和正确用法的差别：

void bad() {
    std::thread t([] {
        /* do something */
    }); // 如果不 join / detach，t 析构时会 terminate
}

void good() {
    std::thread t([] {
        /* do something */
    });
    t.join(); // 或者 t.detach();
}

在实际的项目中，你可以把所有线程对象放入一个容器，在某个统一的收尾阶段遍历join(),这样就不会遗落任何一个线程。

五、线程数量和调度开销

每创建一个线程，都需要内核分配栈内存和控制块，同时调度器也要管理它的状态。当可运行线程多于CPU核心时，调度器需要频繁进行上下文切换，把不同线程轮流加载到CPU上。这些切换涉及保存和恢复寄存器、切换内核数据结构等，成本并不为零，因此无节制地创建线程反而会拉低性能，甚至因为栈内存耗尽而导致程序崩溃。很多工程实践的经验时：工作线程的数量不应远远大于硬件并发度，可以通过std::thread::hardware_concurrency()取一个大致估计，然后围绕这个数目设计线程池。线程池的思想很朴素：预先创建固定数量的工作线程，让它们在一个循环里不断从任务队列里取任务执行，当队列为空时通过条件变量等待。外部所有任务都丢进这个队列，而不是每来一个任务就开一个新线程。这种做法使得线程创建的开销被摊销掉，线程数量也更容易控制。理解了底层调度模型之后，你就会自然倾向于用少量线程+任务队列的方式来管理并发，而不是到处开线程，这会让你的程序在负载升高时更可预测、更稳定。

六、总结

std::thread对应着操作系统里的一个内核线程，有栈、有寄存器、有调度成本、需要被显式管理生命周期。在此基础上，我们可以进一步讨论std::mutex时如何让这些线程安全共享数据的，死锁时如何在多个线程之间形成等待环，以及条件变量如何在等待和唤醒之间搭建桥梁。下一篇，我们就从共享数据的角度切入，看看为什么几乎所有非trivial的多线程程序都离不开std::mutex。