C++ 多线程

多线程是多任务处理的一种特殊形式，多任务处理允许计算机同时运行两个或多个程序。通常，多任务处理有两种类型:基于进程的多任务处理和基于线程的多任务处理。

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不同部分并发执行。

多线程程序包含两个或多个可以并发运行的部分。此类程序的每个部分称为一个线程，每个线程定义一个单独的执行路径。

在 C++ 11 之前的版本中，没有内置对多线程应用程序的支持。相反，它完全依赖于操作系统来提供此功能。

本教程假设您在 Linux 操作系统上运行，我们将使用 POSIX 编写多线程 C++ 程序。 POSIX 线程(或称 Pthreads)提供的 API 可在众多类 Unix POSIX 系统(例如 FreeBSD、NetBSD、GNU/Linux、Mac OS X 和 Solaris)上使用。

创建线程

以下例程用于创建 POSIX 线程 -

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

此处，pthread_create 创建一个新线程并使其可执行。此例程可以在代码中的任何位置调用任意次数。以下是参数说明 -

一个进程可以创建的最大线程数取决于实现。一旦创建，线程就是对等的，并且可以创建其他线程。线程之间没有隐含的层次结构或依赖关系。

终止线程

我们使用以下例程来终止 POSIX 线程 -

#include <pthread.h>
pthread_exit (status)

此处 pthread_exit 用于显式退出线程。通常，pthread_exit() 例程在线程完成其工作且不再需要存在后调用。

如果 main() 在其创建的线程之前完成，并使用 pthread_exit() 退出，则其他线程将继续执行。否则，它们将在 main() 完成时自动终止。

示例

此简单的示例代码使用 pthread_create() 例程创建了 5 个线程。每个线程都会打印"Hello World!"消息，然后调用 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);
}

使用 -lpthread 库编译以下程序，如下所示 -

$gcc test.cpp -lpthread

现在，执行您的程序，将得到以下输出 -

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

此示例演示如何通过结构体传递多个参数。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);
}

当编译并执行上述代码时，它会产生以下结果 -

main() : creating thread, 0
main() : creating thread, 1
main() : creating thread, 2
main() : creating thread, 3
main() : creating thread, 4
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例程来连接或分离线程 -

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。创建线程时，其属性之一定义了它是可连接还是可分离。只有创建为可连接的线程才能被连接。如果创建为可分离的线程，则永远无法被连接。

此示例演示如何使用 Pthread 连接例程等待线程完成。

#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;

   // 初始化并设置线程可连接
   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);
      }
   }

   // 释放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);
}

当编译并执行上述代码时，它会产生以下结果 -

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.