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：

  1. #include <pthread.h>
  2. 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：

  1. #include <pthread.h>
  2. 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 Runoob！”:

  1. #include <iostream>
  2. // 必须的头文件是
  3. #include <pthread.h>
  5. using namespace std;
  7. #define NUM_THREADS 5
  9. // 线程的运行函数
  10. void* say_hello(void* args)
  11. {
  12.     cout << "Hello Runoob！" << endl;
  13. }
  15. int main()
  16. {
  17.     // 定义线程的 id 变量，多个变量使用数组
  18.     pthread_t tids[NUM_THREADS];
  19.     for(int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i)
  20.         {
  21.             //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
  22.             int ret = pthread_create(&tids[i], NULL, say_hello, NULL);
  23.             if (ret != 0)
  24.             {
  25.                 cout << "pthread_create error: error_code=" << ret << endl;
  26.             }
  27.         }
  28.     //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；
  29.     pthread_exit(NULL);
  30. }

使用 -lpthread 库编译下面的程序：

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

现在，执行程序，将产生下列结果：

  1. $ ./test.o
  2. Hello Runoob！
  3. Hello Runoob！
  4. Hello Runoob！
  5. Hello Runoob！
  6. Hello Runoob！

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

  1. //文件名：test.cpp
  3. #include <iostream>
  4. #include <cstdlib>
  5. #include <pthread.h>
  7. using namespace std;
  9. #define NUM_THREADS     5
  11. void *PrintHello(void *threadid)
  12. {  
  13.     // 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
  14.     int tid = *((int*)threadid);
  15.     cout << "Hello Runoob! 线程 ID, " << tid << endl;
  16.     pthread_exit(NULL);
  17. }
  19. int main ()
  20. {
  21.     pthread_t threads[NUM_THREADS];
  22.     int indexes[NUM_THREADS];// 用数组来保存i的值
  23.     int rc;
  24.     int i;
  25.     for( i=0; i < NUM_THREADS; i++ ){      
  26.         cout << "main() : 创建线程, " << i << endl;
  27.         indexes[i] = i; //先保存i的值
  28.         // 传入的时候必须强制转换为void* 类型，即无类型指针        
  29.         rc = pthread_create(&threads[i], NULL, 
  30.             PrintHello, (void *)&(indexes[i]));
  31.         if (rc){
  32.             cout << "Error:无法创建线程," << rc << endl;
  33.             exit(-1);
  34.         }
  35.     }
  36.     pthread_exit(NULL);
  37. }

现在编译并执行程序，将产生下列结果：

  1. $ g++ test.cpp -lpthread -o test.o
  2. $ ./test.o
  3. main() : 创建线程, 0
  4. main() : 创建线程, 1
  5. main() : 创建线程, 2
  6. main() : 创建线程, 3
  7. main() : 创建线程, 4
  8. Hello Runoob! 线程 ID, 4
  9. Hello Runoob! 线程 ID, 3
  10. Hello Runoob! 线程 ID, 2
  11. Hello Runoob! 线程 ID, 1
  12. Hello Runoob! 线程 ID, 0

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：

  1. #include <iostream>
  2. #include <cstdlib>
  3. #include <pthread.h>
  5. using namespace std;
  7. #define NUM_THREADS     5
  9. struct thread_data{
  10. int  thread_id;
  11. char *message;
  12. };
  14. void *PrintHello(void *threadarg)
  15. {
  16.     struct thread_data *my_data;
  18.     my_data = (struct thread_data *) threadarg;
  20.     cout << "Thread ID : " << my_data->thread_id ;
  21.     cout << " Message : " << my_data->message << endl;
  23.     pthread_exit(NULL);
  24. }
  26. int main ()
  27. {
  28.     pthread_t threads[NUM_THREADS];
  29.     struct thread_data td[NUM_THREADS];
  30.     int rc;
  31.     int i;
  33.     for( i=0; i < NUM_THREADS; i++ ){
  34.         cout <<"main() : creating thread, " << i << endl;
  35.         td[i].thread_id = i;
  36.         td[i].message = "This is message";
  37.         rc = pthread_create(&threads[i], NULL,
  38.             PrintHello, (void *)&td[i]);
  39.         if (rc){
  40.             cout << "Error:unable to create thread," << rc << endl;
  41.             exit(-1);
  42.         }
  43.     }
  44.     pthread_exit(NULL);
  45. }

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

  1. $ g++ -Wno-write-strings test.cpp -lpthread -o test.o
  2. $ ./test.o
  3. main() : creating thread, 0
  4. main() : creating thread, 1
  5. main() : creating thread, 2
  6. main() : creating thread, 3
  7. main() : creating thread, 4
  8. Thread ID : 3 Message : This is message
  9. Thread ID : 2 Message : This is message
  10. Thread ID : 0 Message : This is message
  11. Thread ID : 1 Message : This is message
  12. 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：

  1. pthread_join (threadid, status) 
  2. 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。

  1. #include <iostream>
  2. #include <cstdlib>
  3. #include <pthread.h>
  4. #include <unistd.h>
  6. using namespace std;
  8. #define NUM_THREADS     5
  10. void *wait(void *t)
  11. {
  12.    int i;
  13.    long tid;
  15.    tid = (long)t;
  17.    sleep(1);
  18.    cout << "Sleeping in thread " << endl;
  19.    cout << "Thread with id : " << tid << "  ...exiting " << endl;
  20.    pthread_exit(NULL);
  21. }
  23. int main ()
  24. {
  25.    int rc;
  26.    int i;
  27.    pthread_t threads[NUM_THREADS];
  28.    pthread_attr_t attr;
  29.    void *status;
  31.    // 初始化并设置线程为可连接的（joinable）
  32.    pthread_attr_init(&attr);
  33.    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);
  35.    for( i=0; i < NUM_THREADS; i++ ){
  36.       cout << "main() : creating thread, " << i << endl;
  37.       rc = pthread_create(&threads[i], NULL, wait, (void *)i );
  38.       if (rc){
  39.          cout << "Error:unable to create thread," << rc << endl;
  40.          exit(-1);
  41.       }
  42.    }
  44.    // 删除属性，并等待其他线程
  45.    pthread_attr_destroy(&attr);
  46.    for( i=0; i < NUM_THREADS; i++ ){
  47.       rc = pthread_join(threads[i], &status);
  48.       if (rc){
  49.          cout << "Error:unable to join," << rc << endl;
  50.          exit(-1);
  51.       }
  52.       cout << "Main: completed thread id :" << i ;
  53.       cout << "  exiting with status :" << status << endl;
  54.    }
  56.    cout << "Main: program exiting." << endl;
  57.    pthread_exit(NULL);
  58. }

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

  1. main() : creating thread, 0
  2. main() : creating thread, 1
  3. main() : creating thread, 2
  4. main() : creating thread, 3
  5. main() : creating thread, 4
  6. Sleeping in thread 
  7. Thread with id : 4  ...exiting 
  8. Sleeping in thread 
  9. Thread with id : 3  ...exiting 
  10. Sleeping in thread 
  11. Thread with id : 2  ...exiting 
  12. Sleeping in thread 
  13. Thread with id : 1  ...exiting 
  14. Sleeping in thread 
  15. Thread with id : 0  ...exiting 
  16. Main: completed thread id :0  exiting with status :0
  17. Main: completed thread id :1  exiting with status :0
  18. Main: completed thread id :2  exiting with status :0
  19. Main: completed thread id :3  exiting with status :0
  20. Main: completed thread id :4  exiting with status :0
  21. Main: program exiting.