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。

创建线程

此处使用的是 Linux 操作系统,使用 Pthreads(POSIX Threads ) 编写多线程 C++ 程序。

pthread_create 创建一个新的POSIX 线程,并让它可执行。:

cpp 复制代码
#include <pthread.h>
//.....
pthread_create (thread, attr, start_routine, arg);

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。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。

终止线程

使用下面的程序终止一个 POSIX 线程:

cpp 复制代码
pthread_exit(status);

这里的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1:使用 pthread_create() 函数创建了 5 个线程,每个线程输出"Hello Runoob!":

cpp 复制代码
#include <iostream>
#include <pthread.h>  
#define NUM_THREADS 5

using namespace std;

void* say_hello(void* args)         // 线程的运行函数
{
    cout << "Hello Runoob!" << endl;

    return 0;
}
 
int main()
{
    pthread_t tids[NUM_THREADS];    // 定义线程的 id 变量,多个变量使用数组

    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:

cpp 复制代码
$ g++ test.cpp -o pthread -lpthread 

执行结果如下:

$ ./pthread

Hello Runoob!

Hello Runoob!

Hello Runoob!

Hello Runoob!

Hello Runoob!

实例2: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 Runoob!" 消息,并输出接收的参数,然后调用 pthread_exit() 终止线程。

cpp 复制代码
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
#define NUM_THREADS  5
 
using namespace std;
  
void *PrintHello(void *threadid)
{  
   int tid = *((int*)threadid);     // 对传入的参数强制类型转换,由无类型指针变为整形数指针
   cout << "Hello Runoob! 线程 ID, " << tid << endl;
   pthread_exit(NULL);
}
 
int main ()
{
   pthread_t threads[NUM_THREADS];  // 定义线程的 id 变量

   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);

   return 0;
}

执行结果如下:

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

$ ./test.o

main() : 创建线程, 0

main() : 创建线程, 1

Hello Runoob! 线程 ID, 0

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

main() : 创建线程, 3

Hello Runoob! 线程 ID, 2

main() : 创建线程, 4

Hello Runoob! 线程 ID, 3

Hello Runoob! 线程 ID, 4

向线程传递参数

下面的实例演示通过结构传递多个参数。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:

cpp 复制代码
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
#define NUM_THREADS 5
 
using namespace std;
  
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);

   return 0;
}

执行结果如下:

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

$ ./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

可以使用以下两个函数来连接或分离线程:

cpp 复制代码
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。

演示使用 pthread_join() 函数来等待线程的完成:

cpp 复制代码
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#define NUM_THREADS  5
 
using namespace std;
 
void *wait(void *t)
{
   int i;
   long tid;
 
   tid = (long)t;
  
   /**可以通过函数 sleep 来进行睡眠,单位是秒。sleep(1) 表示线程将会暂停执行 1 秒钟。
     *在暂停期间,线程不会进行任何操作,直到时间到达后继续执行下一条语句。
     *请注意,sleep 函数属于 <unistd.h> 头文件,所以需要在程序中包含该头文件
     */
   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);
      }
   }
 
   pthread_attr_destroy(&attr);   // 删除属性,并等待其他线程
   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);

   return 0;
}

执行结果如下:

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.

注:可被 joinable 的 std::thread 对象必须在他们销毁之前被主线程 join 或者将其设置为 detached.

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