C++ 多线程

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

1. 基于进程的多任务处理是程序的并发执行
2. 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

创建线程

#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

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

终止线程

#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

#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 C++！" << 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);
}

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 C++!” 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     5void *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 C++! 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);
}

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     5struct 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);
}

运行结果

$ 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 : 21Message : 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     5void *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);
}

运行结果

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:

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;
}

运行结果

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