linux下的C++多线程
原文链接:http://blog.csdn.net/lee1054908698/article/details/54633056
本随笔作为多线程笔记使用,内容完全照搬原博
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。
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。
C++ 不包含多线程应用程序的任何内置支持。相反,它完全依赖于操作系统来提供此功能。
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:
#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。下面是关于参数的说明:
参数说明
参数 | 说明 |
---|---|
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:
#include <pthread.h> 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!":
#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,函数返回的是函数指针,便于后面作为参数 void* say_hello(void* args) { cout << "Hello Runoob!" << 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 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。
//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 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 main() : 创建线程, 2 main() : 创建线程, 3 main() : 创建线程, 4 Hello Runoob! 线程 ID, 4 Hello Runoob! 线程 ID, 3 Hello Runoob! 线程 ID, 2 Hello Runoob! 线程 ID, 1 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:
#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]); //传入到参数必须强转为void*类型,即无类型指针 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 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
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。
#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); }
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.
互斥锁的实现
互斥锁是实现线程同步的一种机制,只要在临界区前后对资源加锁就能阻塞其他进程的访问。
#include <iostream> #include <pthread.h> using namespace std; #define NUM_THREADS 5 int sum = 0; //定义全局变量,让所有线程同时写,这样就需要锁机制 pthread_mutex_t sum_mutex; //互斥锁 void* say_hello( void* args ) { cout << "hello in thread " << *(( int * )args) << endl; pthread_mutex_lock( &sum_mutex ); //先加锁,再修改sum的值,锁被占用就阻塞,直到拿到锁再修改sum; cout << "before sum is " << sum << " in thread " << *( ( int* )args ) << endl; sum += *( ( int* )args ); cout << "after sum is " << sum << " in thread " << *( ( int* )args ) << endl; pthread_mutex_unlock( &sum_mutex ); //释放锁,供其他线程使用 pthread_exit( 0 ); } int main() { pthread_t tids[NUM_THREADS]; int indexes[NUM_THREADS]; pthread_attr_t attr; //线程属性结构体,创建线程时加入的参数 pthread_attr_init( &attr ); //初始化 pthread_attr_setdetachstate( &attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE ); //是设置你想要指定线程属性参数,这个参数表明这个线程是可以join连接的,join功能表示主程序可以等线程结束后再去做某事,实现了主程序和线程同步功能 pthread_mutex_init( &sum_mutex, NULL ); //对锁进行初始化 for( int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i ) { indexes[i] = i; int ret = pthread_create( &tids[i], &attr, say_hello, ( void* )&( indexes[i] ) ); //5个进程同时去修改sum if( ret != 0 ) { cout << "pthread_create error:error_code=" << ret << endl; } } pthread_attr_destroy( &attr ); //释放内存 void *status; for( int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i ) { int ret = pthread_join( tids[i], &status ); //主程序join每个线程后取得每个线程的退出信息status if( ret != 0 ) { cout << "pthread_join error:error_code=" << ret << endl; } } cout << "finally sum is " << sum << endl; pthread_mutex_destroy( &sum_mutex ); //注销锁 }
测试结果:
hello in thread hello in thread 1hello in thread 3 0 hello in thread 2 before sum is 0 in thread 1 hello in thread 4 after sum is 1 in thread 1 before sum is 1 in thread 3 after sum is 4 in thread 3 before sum is 4 in thread 4 after sum is 8 in thread 4 before sum is 8 in thread 0 after sum is 8 in thread 0 before sum is 8 in thread 2 after sum is 10 in thread 2 finally sum is 10
可知,sum的访问和修改顺序是正常的,这就达到了多线程的目的了,但是线程的运行顺序是混乱的,混乱就是正常?
信号量的实现
信号量是线程同步的另一种实现机制,信号量的操作有signal
和wait
,本例子采用条件信号变量
pthread_cond_t tasks_cond;
信号量的实现也要给予锁机制。
#include <iostream> #include <pthread.h> #include <stdio.h> using namespace std; #define BOUNDARY 5 int tasks = 10; pthread_mutex_t tasks_mutex; //互斥锁 pthread_cond_t tasks_cond; //条件信号变量,处理两个线程间的条件关系,当task>5,hello2处理,反之hello1处理,直到task减为0 void* say_hello2( void* args ) { pthread_t pid = pthread_self(); //获取当前线程id cout << "[" << pid << "] hello in thread " << *( ( int* )args ) << endl; bool is_signaled = false; //sign while(1) { pthread_mutex_lock( &tasks_mutex ); //加锁 if( tasks > BOUNDARY ) { cout << "[" << pid << "] take task: " << tasks << " in thread " << *( (int*)args ) << endl; --tasks; //modify } else if( !is_signaled ) { cout << "[" << pid << "] pthread_cond_signal in thread " << *( ( int* )args ) << endl; pthread_cond_signal( &tasks_cond ); //signal:向hello1发送信号,表明已经>5 is_signaled = true; //表明信号已发送,退出此线程 } pthread_mutex_unlock( &tasks_mutex ); //解锁 if( tasks == 0 ) break; } } void* say_hello1( void* args ) { pthread_t pid = pthread_self(); //获取当前线程id cout << "[" << pid << "] hello in thread " << *( ( int* )args ) << endl; while(1) { pthread_mutex_lock( &tasks_mutex ); //加锁 if( tasks > BOUNDARY ) { cout << "[" << pid << "] pthread_cond_signal in thread " << *( ( int* )args ) << endl; pthread_cond_wait( &tasks_cond, &tasks_mutex ); //wait:等待信号量生效,接收到信号,向hello2发出信号,跳出wait,执行后续 } else { cout << "[" << pid << "] take task: " << tasks << " in thread " << *( (int*)args ) << endl; --tasks; } pthread_mutex_unlock( &tasks_mutex ); //解锁 if( tasks == 0 ) break; } } int main() { pthread_attr_t attr; //线程属性结构体,创建线程时加入的参数 pthread_attr_init( &attr ); //初始化 pthread_attr_setdetachstate( &attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE ); //是设置你想要指定线程属性参数,这个参数表明这个线程是可以join连接的,join功能表示主程序可以等线程结束后再去做某事,实现了主程序和线程同步功能 pthread_cond_init( &tasks_cond, NULL ); //初始化条件信号量 pthread_mutex_init( &tasks_mutex, NULL ); //初始化互斥量 pthread_t tid1, tid2; //保存两个线程id int index1 = 1; int ret = pthread_create( &tid1, &attr, say_hello1, ( void* )&index1 ); if( ret != 0 ) { cout << "pthread_create error:error_code=" << ret << endl; } int index2 = 2; ret = pthread_create( &tid2, &attr, say_hello2, ( void* )&index2 ); if( ret != 0 ) { cout << "pthread_create error:error_code=" << ret << endl; } pthread_join( tid1, NULL ); //连接两个线程 pthread_join( tid2, NULL ); pthread_attr_destroy( &attr ); //释放内存 pthread_mutex_destroy( &tasks_mutex ); //注销锁 pthread_cond_destroy( &tasks_cond ); //正常退出 }
测试结果:
先在线程2中执行say_hello2,再跳转到线程1中执行say_hello1,直到tasks减到0为止。
[2] hello in thread 1 [2] pthread_cond_signal in thread 1 [3] hello in thread 2 [3] take task: 10 in thread 2 [3] take task: 9 in thread 2 [3] take task: 8 in thread 2 [3] take task: 7 in thread 2 [3] take task: 6 in thread 2 [3] pthread_cond_signal in thread 2 [2] take task: 5 in thread 1 [2] take task: 4 in thread 1 [2] take task: 3 in thread 1 [2] take task: 2 in thread 1 [2] take task: 1 in thread 1
C++ 11中的多线程技术
C++11 新标准中引入了四个头文件来支持多线程编程,他们分别是 <atomic>
,<thread>
,<mutex>
,<condition_variable>
和<future>
。
<atomic>
:提供原子操作功能,该头文主要声明了两个类, std::atomic 和 std::atomic_flag,另外还声明了一套 C 风格的原子类型和与 C 兼容的原子操作的函数。<thread>
:线程模型封装,该头文件主要声明了 std::thread 类,另外 std::this_thread 命名空间也在该头文件中。<mutex>
:互斥量封装,该头文件主要声明了与互斥量(mutex)相关的类,包括 std::mutex 系列类,std::lock_guard, std::unique_lock, 以及其他的类型和函数。<condition_variable>
:条件变量,该头文件主要声明了与条件变量相关的类,包括 std::condition_variable 和 std::condition_variable_any。<future>
:实现了对指定数据提供者提供的数据进行异步访问的机制。该头文件主要声明了 std::promise, std::package_task 两个 Provider 类,以及 std::future 和 std::shared_future 两个 Future 类,另外还有一些与之相关的类型和函数,std::async() 函数就声明在此头文件中。
简单示例:
#include <iostream> #include <thread> using namespace std; void thread_1() { cout << "hello from thread_1" << endl; } int main(int argc, char **argv) { thread t1(thread_1); /** join()相当于调用了两个函数:WaitForSingleObject、CloseHandle,事实上,在vc12中也是这么实现的 */ t1.join(); return 0; }
注意事项
若线程调用到的函数在一个类中,则必须将该函数声明为静态函数函数
因为静态成员函数属于静态全局区,线程可以共享这个区域,故可以各自调用。
#include <iostream> #include <pthread.h> using namespace std; #define NUM_THREADS 5 class Hello { public: //多线程调用,声明为static static void* say_hello( void* args ) { cout << "hello..." << endl; } }; int main() { pthread_t tids[NUM_THREADS]; for( int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i ) { int ret = pthread_create( &tids[i], NULL, Hello::say_hello, NULL ); if( ret != 0 ) { cout << "pthread_create error:error_code" << ret << endl; } } pthread_exit( NULL ); }
测试结果:
hello... hello... hello... hello... hello...
代码中如果没有
pthread_join
主线程会很快结束从而使整个进程结束,从而使创建的线程没有机会开始执行就结束了。加入pthread_join
后,主线程会一直等待直到等待的线程结束自己才结束,使创建的线程有机会执行。线程创建时属性参数的设置pthread_attr_t及join功能的使用
线程的属性由结构体pthread_attr_t进行管理。
typedef struct { int detachstate; //线程的分离状态 int schedpolicy; //线程调度策略 struct sched_param schedparam; //线程的调度参数 int inheritsched; //线程的继承性 int scope; //线程的作用域 size_t guardsize; //线程栈末尾的警戒缓冲区大小 int stackaddr_set; void * stackaddr; //线程栈的位置 size_t stacksize; // 线程栈的大小 }pthread_attr_t;
示例:
#include <iostream> #include <pthread.h> using namespace std; #define NUM_THREADS 5 void* say_hello( void* args ) { cout << "hello in thread " << *(( int * )args) << endl; int status = 10 + *(( int * )args); //线程退出时添加退出的信息,status供主程序提取该线程的结束信息 pthread_exit( ( void* )status ); } int main() { pthread_t tids[NUM_THREADS]; int indexes[NUM_THREADS]; pthread_attr_t attr; //线程属性结构体,创建线程时加入的参数 pthread_attr_init( &attr ); //初始化 pthread_attr_setdetachstate( &attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE ); //是设置你想要指定线程属性参数,这个参数表明这个线程是可以join连接的,join功能表示主程序可以等线程结束后再去做某事,实现了主程序和线程同步功能 for( int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i ) { indexes[i] = i; int ret = pthread_create( &tids[i], &attr, say_hello, ( void* )&( indexes[i] ) ); if( ret != 0 ) { cout << "pthread_create error:error_code=" << ret << endl; } } pthread_attr_destroy( &attr ); //释放内存 void *status; for( int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i ) { int ret = pthread_join( tids[i], &status ); //主程序join每个线程后取得每个线程的退出信息status if( ret != 0 ) { cout << "pthread_join error:error_code=" << ret << endl; } else { cout << "pthread_join get status:" << (long)status << endl; } } }
测试结果:
hello in thread hello in thread 1hello in thread 3 hello in thread 4 0 hello in thread 2 pthread_join get status:10 pthread_join get status:11 pthread_join get status:12 pthread_join get status:13 pthread_join get status:14
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