并发与多进程多线程 - C++多线程编程（一）

为了高效的利用class="superseo">CPU这种稀缺资源，在同一个CPU上可以并发执行多个程序或者多个流程。其中执行的流程颗粒度根据具体的需要划分为进程和线程。

1. 基本概念 1.1 并发

并发是指两个或者多个任务（独立的活动）同时发生（进行）：一个程序同时执行多个独立的任务；以往计算机，单核CPU某一时刻只能执行一个任务，由 *** 作系统调度，每秒钟进行多次所谓的调度工作。这种情况下并发的假象（不是真正的并发），这种上下文切换是由时间开销的。硬件发展，出现了多处理器计算机，用于服务器和高性能计算领域。台式机在一块计算机上面存在多个核CPU，能够实现多个真正的多并发。

1.2 进程与线程

一个可执行程序运行起来就会创建一个进程，每个进程都存在一个主线程，主线程是唯一的。通过./bin文件来执行应用程序。线程，当一个程序执行产生一个进程后，这个主线程随着进程的启动存在就存在了。实际上程序运行过程中是进程的主线程在执行main函数。主线程执行结束时程序也就结束，主线程伴随进程执行过程。

线程用来执行具体的每一个逻辑，线程是一个程序的执行通路。通过一个产品线可以类比一个进程，一个产品线生产出一个具体的商品。这是一个具体的进程。在生产线上面每一个线程独立执行一个任务，多个线程可能执行相同的任务，也可以多个线程合作完成任务的生产。线程平凡的切换回导致消耗CPU资源，所以需要合理控制内核的进程调度算法。

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。

多线程可以用来做多个事情协作，但是实际过程中效率高低不是一个很容易评估和量化的东西。大家需要在实际的编程中，根据实际情况体会和调整。

并发与多线程程序是实力的体现，一个是商用的必须需求。线程开发有一定的难度，实现代码更复杂。理解上更难一些，需要一定的学习时间。C++贤臣工会设计很多的新概念，对于C++的道路上面需要很多时间，不能急于求成。

1.3 并发的实现方法

对个进程实现并发，在单个进程中通过多个线程实现并发。

多进程并发，多个进程之间写作是需要通信，通过管道、文件、消息队列和内存共享实现资源共享和工作写作。

多线程并发，单个进程中创建多个线程。线程是轻量级的，多个线程之间资源是共享的。全局变量、指针、引用都是可以在多个线程之间进行数据传递。所以，多个线程开销远小于多进程，当然也是存在共享数据一致性问题。

多进程和多线程并发显然可以混合使用，但是实际开发中建议优先考虑多线程而不是多进程。后续只讲多线程并发，多进程并发需要专门的课题来解读。

3. C++11新标准线程库

不同平台下面创建线程的库是不一样的，在不同平台下面是不同的。因此，在不同平台下面是没有办法实现跨平台执行。对于POSIX：thread这个是跨平台的，但是需要做一番配置。或者自己写一套平台无关的代码来实现跨平台。C++11直接给定了一个新的多线程标准库，这个是跨平台的，降低了大家多平台开发的困难。

C语言中多线程头文件，在C++中一个专门的thread类描述多线程信息。在C++标准中内容包含线程创建与销毁、资源共享锁和进程通信的方法。进程资源共享包含单个变量的原子 *** 作和一片资源的互斥锁。资源通信共享的方法主要是future和condition_varible两种方式。

3.1 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_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。

3.2 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_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！":

实例

#include // 必须的头文件 #include using namespace std; #define NUM_THREADS 5 // 线程的运行函数 void* say_hello(void* args) { cout << "Hello Runoob！" << 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 Runoob！
Hello Runoob！
Hello Runoob！
Hello Runoob！
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。

实例

//文件名：test.cpp #include #include #include 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 Runoob! 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 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

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：

实例

#include #include #include 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。

实例

#include #include #include #include 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.