C++ 多執行緒

雪奈椰子發表於2023-04-12
C++執行緒

多執行緒是多工處理的一種特殊形式，多工處理允許讓電腦同時執行兩個或兩個以上的程式。一般情況下，兩種型別的多工處理： 基於程式和基於執行緒。

  • 基於程式的多工處理是程式的併發執行。
  • 基於執行緒的多工處理是同一程式的片段的併發執行。

多執行緒程式包含可以同時執行的兩個或多個部分。這樣的程式中的每個部分稱為一個執行緒，每個執行緒定義了一個單獨的執行路徑。

本教程假設您使用的是 Linux 作業系統，我們要使用 POSIX 編寫多執行緒 C++ 程式。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。

下面的程式，我們可以用它來建立一個 POSIX 執行緒：

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

在這裡， pthread_create 建立一個新的執行緒，並讓它可執行。下面是關於引數的說明：

引數 描述
thread 指向執行緒識別符號指標。
attr 一個不透明的屬性物件，可以被用來設定執行緒屬性。您可以指定執行緒屬性物件，也可以使用預設值 NULL。
start_routine 執行緒執行函式起始地址，一旦執行緒被建立就會執行。
arg 執行函式的引數。它必須透過把引用作為指標強制轉換為 void 型別進行傳遞。如果沒有傳遞引數，則使用 NULL。

建立執行緒成功時，函式返回 0，若返回值不為 0 則說明建立執行緒失敗。

使用下面的程式，我們可以用它來終止一個 POSIX 執行緒：

#include <pthread.h>
pthread_exit (status)

在這裡， pthread_exit 用於顯式地退出一個執行緒。通常情況下，pthread_exit() 函式是線上程完成工作後無需繼續存在時被呼叫。

如果 main() 是在它所建立的執行緒之前結束，並透過 pthread_exit() 退出，那麼其他執行緒將繼續執行。否則，它們將在 main() 結束時自動被終止。

以下簡單的例項程式碼使用 pthread_create() 函式建立了 5 個執行緒，每個執行緒輸出"Hello Runoob！":

#include <iostream>
// 必須的標頭檔案
#include <pthread.h>
 
using namespace std;
 
#define NUM_THREADS 5
 
// 執行緒的執行函式
void* say_hello(void* args)
{
    cout << "Hello Runoob！" << endl;
    return 0;
}
 
int main()
{
    // 定義執行緒的 id 變數，多個變數使用陣列
    pthread_t tids[NUM_THREADS];
    for(int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i)
    {
        //引數依次是：建立的執行緒id，執行緒引數，呼叫的函式，傳入的函式引數
        int ret = pthread_create(&tids[i], NULL, say_hello, NULL);
        if (ret != 0)
        {
           cout << "pthread_create error: error_code=" << ret << endl;
        }
    }
    //等各個執行緒退出後，程式才結束，否則程式強制結束了，執行緒可能還沒反應過來；
    pthread_exit(NULL);
}

使用 -lpthread 庫編譯下面的程式：

$ g++ test.cpp -lpthread -o test.o

現在，執行程式，將產生下列結果：

$ ./test.o
Hello Runoob！
Hello Runoob！
Hello Runoob！
Hello Runoob！
Hello Runoob！

以下簡單的例項程式碼使用 pthread_create() 函式建立了 5 個執行緒，並接收傳入的引數。每個執行緒列印一個 "Hello Runoob!" 訊息，並輸出接收的引數，然後呼叫 pthread_exit() 終止執行緒。

//檔名：test.cpp
 
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
 
using namespace std;
 
#define NUM_THREADS     5
 
void *PrintHello(void *threadid)
{  
   // 對傳入的引數進行強制型別轉換，由無型別指標變為整形數指標，然後再讀取
   int tid = *((int*)threadid);
   cout << "Hello Runoob! 執行緒 ID, " << tid << endl;
   pthread_exit(NULL);
}
 
int main ()
{
   pthread_t threads[NUM_THREADS];
   int indexes[NUM_THREADS];// 用陣列來儲存i的值
   int rc;
   int i;
   for( i=0; i < NUM_THREADS; i++ ){      
      cout << "main() : 建立執行緒, " << i << endl;
      indexes[i] = i; //先儲存i的值
      // 傳入的時候必須強制轉換為void* 型別，即無型別指標        
      rc = pthread_create(&threads[i], NULL, 
                          PrintHello, (void *)&(indexes[i]));
      if (rc){
         cout << "Error:無法建立執行緒," << rc << endl;
         exit(-1);
      }
   }
   pthread_exit(NULL);
}

現在編譯並執行程式，將產生下列結果：

$ g++ test.cpp -lpthread -o test.o
$ ./test.o
main() : 建立執行緒, 0
main() : 建立執行緒, 1
Hello Runoob! 執行緒 ID, 0
main() : 建立執行緒, Hello Runoob! 執行緒 ID, 21
main() : 建立執行緒, 3
Hello Runoob! 執行緒 ID, 2
main() : 建立執行緒, 4
Hello Runoob! 執行緒 ID, 3
Hello Runoob! 執行緒 ID, 4

這個例項演示瞭如何透過結構傳遞多個引數。您可以線上程回撥中傳遞任意的資料型別，因為它指向 void，如下面的例項所示：

#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 = (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);
}

當上面的程式碼被編譯和執行時，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
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

我們可以使用以下兩個函式來連線或分離執行緒：

pthread_join (threadid, status) 
pthread_detach (threadid)

pthread_join() 子程式阻礙呼叫程式，直到指定的 threadid 執行緒終止為止。當建立一個執行緒時，它的某個屬性會定義它是否是可連線的（joinable）或可分離的（detached）。只有建立時定義為可連線的執行緒才可以被連線。如果執行緒建立時被定義為可分離的，則它永遠也不能被連線。

這個例項演示瞭如何使用 pthread_join() 函式來等待執行緒的完成。

#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;
 
   // 初始化並設定執行緒為可連線的（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);
      }
   }
 
   // 刪除屬性，並等待其他執行緒
   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);
}

當上面的程式碼被編譯和執行時，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.

C++ 11 之後新增了新的標準執行緒庫 std::thread，std::thread  在 <thread> 標頭檔案中宣告，因此使用 std::thread 時需要包含  在 <thread> 標頭檔案。

之前一些編譯器使用 C++ 11 的編譯引數是  -std=c++11:

g++ -std=c++11 test.cpp

std::thread 預設建構函式，建立一個空的 std::thread 執行物件。

#include<thread>
std::thread thread_object(callable)

一個可呼叫物件可以是以下三個中的任何一個：

  • 函式指標
  • 函式物件
  • lambda 表示式

定義 callable 後，將其傳遞給 std::thread 建構函式  thread_object。

// 演示多執行緒的CPP程式
// 使用三個不同的可呼叫物件
#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

// 一個虛擬函式
void foo(int Z)
{
for (int i = 0; i < Z; i++) {
cout << "執行緒使用函式指標作為可呼叫引數\n";
}
}

// 可呼叫物件
class thread_obj {
public:
void operator()(int x)
{
for (int i = 0; i < x; i++)
cout << "執行緒使用函式物件作為可呼叫引數\n";
}
};

int main()
{
cout << "執行緒 1 、2 、3 "
"獨立執行" << endl;

// 函式指標
thread th1(foo, 3);

// 函式物件
thread th2(thread_obj(), 3);

// 定義 Lambda 表示式
auto f = [](int x) {
for (int i = 0; i < x; i++)
cout << "執行緒使用 lambda 表示式作為可呼叫引數\n";
};

// 執行緒透過使用 lambda 表示式作為可呼叫的引數
thread th3(f, 3);

// 等待執行緒完成
// 等待執行緒 t1 完成
th1.join();

// 等待執行緒 t2 完成
th2.join();

// 等待執行緒 t3 完成
th3.join();

return 0;
}

使用 C++ 11 的編譯引數  -std=c++11:

g++ -std=c++11 test.cpp

當上面的程式碼被編譯和執行時，它會產生下列結果：

執行緒 1 、2 、3 獨立執行
執行緒使用函式指標作為可呼叫引數
執行緒使用函式指標作為可呼叫引數
執行緒使用函式指標作為可呼叫引數
執行緒使用函式物件作為可呼叫引數
執行緒使用函式物件作為可呼叫引數
執行緒使用函式物件作為可呼叫引數
執行緒使用 lambda 表示式作為可呼叫引數
執行緒使用 lambda 表示式作為可呼叫引數
執行緒使用 lambda 表示式作為可呼叫引數

更多例項參考：

C++ 多執行緒: 

C++ std::thread : 


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