C++ 多線程

多線程是多任務處理的一種特殊形式，多任務處理允許讓電腦同時運行兩個或兩個以上的程序。 一般情況下，兩種類型的多任務處理： 基於進程和基於線程 。

• 基於進程的多任務處理是程序的並發執行。
• 基於線程的多任務處理是同一程序的片段的並發執行。

多線程程序包含可以同時運行的兩個或多個部分。 這樣的程序中的每個部分稱為一個線程，每個線程定義了一個單獨的執行路徑。

C++ 不包含多線程應用程序的任何內置支持。 相反，它完全依賴於操作系統來提供此功能。

本教程假設您使用的是Linux 操作系統，我們要使用POSIX 編寫多線程C++ 程序。 POSIX Threads 或Pthreads 提供的API 可在多種類Unix POSIX 系統上可用，比如FreeBSD、NetBSD、GNU/Linux、Mac OS X 和Solaris。

創建線程

下面的程序，我們可以用它來創建一個POSIX 線程：

#include <pthread.h>
pthread_create (thread, attr, start_routine, arg) 

在這裡，pthread_create創建一個新的線程，並讓它可執行。下面是關於參數的說明：

創建線程成功時，函數返回0，若返回值不為0 則說明創建線程失敗。

終止線程

使用下面的程序，我們可以用它來終止一個POSIX 線程：

#include <pthread.h>
pthread_exit (status) 

在這裡，pthread_exit用於顯式地退出一個線程。通常情況下，pthread_exit() 函數是在線程完成工作後無需繼續存在時被調用。

如果main() 是在它所創建的線程之前結束，並通過pthread_exit() 退出，那麼其他線程將繼續執行。 否則，它們將在main() 結束時自動被終止。

實例

以下簡單的實例代碼使用pthread_create() 函數創建了5 個線程，每個線程輸出"Hello w3big！":

#include <iostream>
// 必须的头文件是
#include <pthread.h>

using namespace std;

#define NUM_THREADS 5

// 线程的运行函数
void* say_hello(void* args)
{
    cout << "Hello w3big！" << endl;
}

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 庫編譯下面的程序：

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

現在，執行程序，將產生下列結果：

$ ./test.o
Hello w3big！
Hello w3big！
Hello w3big！
Hello w3big！
Hello w3big！

以下簡單的實例代碼使用pthread_create() 函數創建了5 個線程，並接收傳入的參數。 每個線程打印一個"Hello w3big!" 消息，並輸出接收的參數，然後調用pthread_exit() 終止線程。

//文件名：test.cpp

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

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 w3big! 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);
}

現在編譯並執行程序，將產生下列結果：

$ g++ test.cpp -lpthread -o test.o
$ ./test.o
main() : 创建线程, 0
main() : 创建线程, 1
main() : 创建线程, 2
main() : 创建线程, 3
main() : 创建线程, 4
Hello w3big! 线程 ID, 4
Hello w3big! 线程 ID, 3
Hello w3big! 线程 ID, 2
Hello w3big! 线程 ID, 1
Hello w3big! 线程 ID, 0

向線程傳遞參數

這個實例演示瞭如何通過結構傳遞多個參數。 您可以在線程回調中傳遞任意的數據類型，因為它指向void，如下面的實例所示：

#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);
}

當上面的代碼被編譯和執行時，它會產生下列結果：

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

連接和分離線程

我們可以使用以下兩個函數來連接或分離線程：

pthread_join (threadid, status) 
pthread_detach (threadid) 

pthread_join() 子程序阻礙調用程序，直到指定的threadid 線程終止為止。 當創建一個線程時，它的某個屬性會定義它是否是可連接的（joinable）或可分離的（detached）。 只有創建時定義為可連接的線程才可以被連接。 如果線程創建時被定義為可分離的，則它永遠也不能被連接。

這個實例演示瞭如何使用pthread_join() 函數來等待線程的完成。

#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;

   // 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);
}

當上面的代碼被編譯和執行時，它會產生下列結果：

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.