C++ 多线程

多线程是一种专门的多任务处理形式，而多任务处理是使计算机能够同时运行两个或更多程序的特性。总体上，有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处理程序的并发执行。基于线程的多任务处理处理同一程序片段的并发执行。

多线程程序包含两个或更多可以并发运行的部分。这样程序的每个部分被称为一个线程，并且每个线程定义一个独立的执行路径。

C++11之前，没有内置的多线程应用程序支持。相反，它完全依赖于操作系统提供此功能。

本教程假设你正在使用Linux操作系统，我们将使用POSIX编写多线程的C++程序。POSIX线程（Pthreads）提供了API，可在许多类Unix POSIX系统（如FreeBSD、NetBSD、GNU/Linux、Mac OS X和Solaris）上使用。

创建线程

以下例程用于创建一个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。这个例程可以在代码的任何地方任意次数调用。下面是参数的描述－

Sr.No	参数与描述
1	thread 由子程序返回的新线程的不透明、唯一标识符。
2	attr 一个不透明的属性对象，可以用于设置线程属性。您可以指定一个线程属性对象，或者将其设为NULL以使用默认值。
3	start_routine 线程创建后将执行的C++例程。
4	arg 可以传递给start_routine的单个参数。它必须以void类型的指针转型后的引用传递。如果不传递任何参数，可以使用NULL。

一个进程可以创建的线程的最大数目是由具体实现决定的。一旦创建，线程之间相互平等，可以创建其他线程。线程之间没有隐含的层次或依赖关系。

终止线程

有以下例程可用于终止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，在线程完成工作且不再需要存在时，调用 pthread_exit() 例程。

如果 main() 在它创建的线程之前运行完成并通过 pthread_exit() 退出，其他线程将继续执行。否则，它们将在 main() 结束时自动终止。

示例

这个简单的示例代码使用 pthread_create() 例程创建了 5 个线程。每个线程打印一条 “Hello World!” 消息，然后通过调用 pthread_exit() 终止。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>

using namespace std;

#define NUM_THREADS 5

void *PrintHello(void *threadid) {
   long tid;
   tid = (long)threadid;
   cout << "Hello World! Thread ID, " << tid << endl;
   pthread_exit(NULL);
}

int main () {
   pthread_t threads[NUM_THREADS];
   int rc;
   int i;

   for( i = 0; i < NUM_THREADS; i++ ) {
      cout << "main() : creating thread, " << i << endl;
      rc = pthread_create(&threads[i], NULL, PrintHello, (void *)i);

      if (rc) {
         cout << "Error:unable to create thread," << rc << endl;
         exit(-1);
      }
   }
   pthread_exit(NULL);
}

编译以下程序，使用-lpthread库，方法如下：

$gcc test.cpp -lpthread

现在，执行你的程序，它将输出以下内容 –

main() : creating thread, 0
main() : creating thread, 1
main() : creating thread, 2
main() : creating thread, 3
main() : creating thread, 4
Hello World! Thread ID, 0
Hello World! Thread ID, 1
Hello World! Thread ID, 2
Hello World! Thread ID, 3
Hello World! Thread ID, 4

向线程传递参数

此示例显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何数据类型，因为它指向 void，如下面的示例中所解释的。

#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 = "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);
}

当上述代码被编译和执行时，产生以下结果−

main() : creating thread, 0
main() : creating thread, 1
main() : creating thread, 2
main() : creating thread, 3
main() : creating thread, 4
Thread ID : 3 Message : This is message
Thread ID : 2 Message : This is message
Thread ID : 0 Message : This is message
Thread ID : 1 Message : This is message
Thread ID : 4 Message : This is message

加入和分离线程

有以下两个例程可以用来加入或分离线程 –

pthread_join (threadid, status) 
pthread_detach (threadid)

pthread_join()子例程会阻塞调用线程，直到指定的 ‘threadid’ 线程终止。当一个线程被创建时，它的属性之一定义了它是可连接还是分离的。只有可连接的线程才能被加入。如果一个线程被创建为分离状态，它就永远无法被加入。

这个示例演示了如何使用Pthread join例程等待线程完成。

#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;

   // Initialize and set thread 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], &attr, wait, (void *)i );
      if (rc) {
         cout << "Error:unable to create thread," << rc << endl;
         exit(-1);
      }
   }

   // free attribute and wait for the other threads
   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);
}

当上述代码被编译并执行时，会产生以下结果−

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 : 0 .... exiting
Sleeping in thread
Thread with id : 1 .... exiting
Sleeping in thread
Thread with id : 2 .... exiting
Sleeping in thread
Thread with id : 3 .... exiting
Sleeping in thread
Thread with id : 4 .... 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.