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C++ 多线程

多线程是多任务处理的一种特殊形式，多任务处理允许让电脑同时运行两个或两个以上的程序。一般情况下，两种类型的多任务处理：基于进程和基于线程。

  • 基于进程的多任务处理是程序的并发执行。
  • 基于线程的多任务处理是同一程序的片段的并发执行。

多线程程序包含可以同时运行的两个或多个部分。这样的程序中的每个部分称为一个线程，每个线程定义了一个单独的执行路径。

本教程假设您使用的是 Linux 操作系统，我们要使用 POSIX 编写多线程 C++ 程序。POSIX Threads 或 Pthreads 提供的 API 可在多种类 Unix POSIX 系统上可用，比如 FreeBSD、NetBSD、GNU/Linux、Mac OS X 和 Solaris。

创建线程​

下面的程序，我们可以用它来创建一个 POSIX 线程：

#include <pthread.h>

pthread_create (thread, attr, start_routine, arg)

在这里，pthread_create 创建一个新的线程，并让它可执行。下面是关于参数的说明： | 参数 | 描述 | | :------------ | :----------------------------------------------------------- | | thread | 指向线程标识符指针。 | | attr | 一个不透明的属性对象，可以被用来设置线程属性。您可以指定线程属性对象，也可以使用默认值 NULL。 | | start_routine | 线程运行函数起始地址，一旦线程被创建就会执行。 | | arg | 运行函数的参数。它必须通过把引用作为指针强制转换为 void 类型进行传递。如果没有传递参数，则使用 NULL。 |

创建线程成功时，函数返回 0，若返回值不为 0 则说明创建线程失败。

终止线程​

使用下面的程序，我们可以用它来终止一个 POSIX 线程：

#include <pthread.h>

pthread_exit (status)

在这里，pthread_exit 用于显式地退出一个线程。通常情况下，pthread_exit() 函数是在线程完成工作后无需继续存在时被调用。

如果 main() 是在它所创建的线程之前结束，并通过 pthread_exit() 退出，那么其他线程将继续执行。否则，它们将在 main() 结束时自动被终止。

实例​

以下简单的实例代码使用 pthread_create() 函数创建了 5 个线程，每个线程输出"Hello Lectcode！":

#include <iostream>
// 必须的头文件
#include <pthread.h>
using namespace std;
 
#define NUM_THREADS 5
// 线程的运行函数
void* say_hello(void* args)
{
cout << "Hello Lectcode！" << endl;
    return 0;
}
int main()
{
// 定义线程的 id 变量，多个变量使用数组
pthread_t tids[NUM_THREADS];
    for(int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i)
{
//参数依次是：创建的线程id，线程参数，调用的函数，传入的函数参数
int ret = pthread_create(&tids[i], NULL, say_hello, NULL);
        if (ret != 0)
{
cout << "pthread_create error: error_code=" << ret << endl;
        }
}
//等各个线程退出后，进程才结束，否则进程强制结束了，线程可能还没反应过来；
pthread_exit(NULL);
}

使用 -lpthread 库编译下面的程序：

$ g++ test.cpp -lpthread -o test.o

现在，执行程序，将产生下列结果：

$ ./test.o

Hello Lectcode！

Hello Lectcode！

Hello Lectcode！

Hello Lectcode！

Hello Lectcode！

以下简单的实例代码使用 pthread_create() 函数创建了 5 个线程，并接收传入的参数。每个线程打印一个 "Hello Lectcode!" 消息，并输出接收的参数，然后调用 pthread_exit() 终止线程。

//文件名：test.cpp
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
using namespace std;
 
#define NUM_THREADS 5
void *PrintHello(void *threadid)
{
// 对传入的参数进行强制类型转换，由无类型指针变为整形数指针，然后再读取
int tid = *((int*)threadid);
   cout << "Hello Lectcode! 线程 ID, " << tid << endl;
   pthread_exit(NULL);
}
int main ()
{
pthread_t threads[NUM_THREADS];
   int indexes[NUM_THREADS];// 用数组来保存i的值
int rc;
   int i;
   for( i=0; i < NUM_THREADS; i++ ){
cout << "main() : 创建线程, " << i << endl;
      indexes[i] = i; //先保存i的值
// 传入的时候必须强制转换为void* 类型，即无类型指针        
rc = pthread_create(&threads[i], NULL, 
                          PrintHello, (void *)&(indexes[i]));
      if (rc){
cout << "Error:无法创建线程," << rc << endl;
         exit(-1);
      }
}
pthread_exit(NULL);
}

现在编译并执行程序，将产生下列结果：

$ g++ test.cpp -lpthread -o test.o

$ ./test.o

main() : 创建线程, 0

main() : 创建线程, 1

Hello Lectcode! 线程 ID, 0

main() : 创建线程, Hello Lectcode! 线程 ID, 21



main() : 创建线程, 3

Hello Lectcode! 线程 ID, 2

main() : 创建线程, 4

Hello Lectcode! 线程 ID, 3

Hello Lectcode! 线程 ID, 4

向线程传递参数​

这个实例演示了如何通过结构传递多个参数。您可以在线程回调中传递任意的数据类型，因为它指向 void，如下面的实例所示：

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
using namespace std;
 
#define NUM_THREADS 5
struct thread_data{
int thread_id;
   char *message;
};
 
void *PrintHello(void *threadarg)
{
struct thread_data *my_data;
 
   my_data = (struct thread_data *) threadarg;
 
   cout << "Thread ID : " << my_data->thread_id ;
   cout << " Message : " << my_data->message << endl;
 
   pthread_exit(NULL);
}
int main ()
{
pthread_t threads[NUM_THREADS];
   struct thread_data td[NUM_THREADS];
   int rc;
   int i;
 
   for( i=0; i < NUM_THREADS; i++ ){
cout <<"main() : creating thread, " << i << endl;
      td[i].thread_id = i;
      td[i].message = (char*)"This is message";
      rc = pthread_create(&threads[i], NULL,
                          PrintHello, (void *)&td[i]);
      if (rc){
cout << "Error:unable to create thread," << rc << endl;
         exit(-1);
      }
}
pthread_exit(NULL);
}

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

$ g++ -Wno-write-strings test.cpp -lpthread -o test.o

$ ./test.o

main() : creating thread, 0

main() : creating thread, 1

Thread ID : 0 Message : This is message

main() : creating thread, Thread ID : 21

 Message : This is message

main() : creating thread, 3

Thread ID : 2 Message : This is message

main() : creating thread, 4

Thread ID : 3 Message : This is message

Thread ID : 4 Message : This is message

连接和分离线程​

我们可以使用以下两个函数来连接或分离线程：

pthread_join (threadid, status) 

pthread_detach (threadid)

pthread_join() 子程序阻碍调用程序，直到指定的 threadid 线程终止为止。当创建一个线程时，它的某个属性会定义它是否是可连接的（joinable）或可分离的（detached）。只有创建时定义为可连接的线程才可以被连接。如果线程创建时被定义为可分离的，则它永远也不能被连接。

这个实例演示了如何使用 pthread_join() 函数来等待线程的完成。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;
 
#define NUM_THREADS 5
void *wait(void *t)
{
int i;
   long tid;
 
   tid = (long)t;
 
   sleep(1);
   cout << "Sleeping in thread " << endl;
   cout << "Thread with id : " << tid << "  ...exiting " << endl;
   pthread_exit(NULL);
}
int main ()
{
int rc;
   int i;
   pthread_t threads[NUM_THREADS];
   pthread_attr_t attr;
   void *status;
 
   // 初始化并设置线程为可连接的（joinable）
pthread_attr_init(&attr);
   pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);
 
   for( i=0; i < NUM_THREADS; i++ ){
cout << "main() : creating thread, " << i << endl;
      rc = pthread_create(&threads[i], NULL, wait, (void *)&i );
      if (rc){
cout << "Error:unable to create thread," << rc << endl;
         exit(-1);
      }
}
// 删除属性，并等待其他线程
pthread_attr_destroy(&attr);
   for( i=0; i < NUM_THREADS; i++ ){
rc = pthread_join(threads[i], &status);
      if (rc){
cout << "Error:unable to join," << rc << endl;
         exit(-1);
      }
cout << "Main: completed thread id :" << i ;
      cout << "  exiting with status :" << status << endl;
   }
cout << "Main: program exiting." << endl;
   pthread_exit(NULL);
}

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

main() : creating thread, 0

main() : creating thread, 1

main() : creating thread, 2

main() : creating thread, 3

main() : creating thread, 4

Sleeping in thread 

Thread with id : 4  ...exiting 

Sleeping in thread 

Thread with id : 3  ...exiting 

Sleeping in thread 

Thread with id : 2  ...exiting 

Sleeping in thread 

Thread with id : 1  ...exiting 

Sleeping in thread 

Thread with id : 0  ...exiting 

Main: completed thread id :0  exiting with status :0

Main: completed thread id :1  exiting with status :0

Main: completed thread id :2  exiting with status :0

Main: completed thread id :3  exiting with status :0

Main: completed thread id :4  exiting with status :0

Main: program exiting.

std::thread​

C++ 11 之后添加了新的标准线程库 std::thread ， std::thread 在 <thread> 头文件中声明，因此使用 std::thread 时需要包含 在 <thread> 头文件。

之前一些编译器使用 C++ 11 的编译参数是 -std=c++11:

g++ -std=c++11 test.cpp

std::thread 默认构造函数，创建一个空的std::thread 执行对象。

#include<thread>

std::thread thread_object(callable)

一个可调用对象可以是以下三个中的任何一个：

  • 函数指针
  • 函数对象
  • lambda 表达式

定义 callable 后，将其传递给 std::thread 构造函数 thread_object。

// 演示多线程的CPP程序
// 使用三个不同的可调用对象
#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
  
// 一个虚拟函数
void foo(int Z)
{
    for (int i = 0; i < Z; i++) {
        cout << "线程使用函数指针作为可调用参数\n";
    }
}
  
// 可调用对象
class thread_obj {
public:
    void operator()(int x)
    {
        for (int i = 0; i < x; i++)
            cout << "线程使用函数对象作为可调用参数\n";
    }
};
  
int main()
{
    cout << "线程 1 、2 、3 "
         "独立运行" << endl;
  
    // 函数指针
    thread th1(foo, 3);
  
    // 函数对象
    thread th2(thread_obj(), 3);
  
    // 定义 Lambda 表达式
    auto f = [](int x) {
        for (int i = 0; i < x; i++)
            cout << "线程使用 lambda 表达式作为可调用参数\n";
    };
  
    // 线程通过使用 lambda 表达式作为可调用的参数
    thread th3(f, 3);
  
    // 等待线程完成
    // 等待线程 t1 完成
    th1.join();
  
    // 等待线程 t2 完成
    th2.join();
  
    // 等待线程 t3 完成
    th3.join();
  
    return 0;
}

使用 C++ 11 的编译参数 -std=c++11:

g++ -std=c++11 test.cpp

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

线程 1 、2 、3 独立运行

线程使用函数指针作为可调用参数

线程使用函数指针作为可调用参数

线程使用函数指针作为可调用参数

线程使用函数对象作为可调用参数

线程使用函数对象作为可调用参数

线程使用函数对象作为可调用参数

线程使用 lambda 表达式作为可调用参数

线程使用 lambda 表达式作为可调用参数

线程使用 lambda 表达式作为可调用参数