c++ 多线程

多线程是多任务处理的一种特殊形式，多任务处理允许让电脑同时运行两个或两个以上的程序。在一般情况下，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的是程序的并发执行。基于线程的多任务处理的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。

1. 创建线程

有下面的例程，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。这个例程可在代码内的任何地方被调用任意次数。下面是关于参数的说明：

一个进程可以创建的最大线程数是依赖于实现的。线程一旦被创建，就是同等的，而且可以创建其他线程。线程之间没有隐含层次或依赖。

2. 终止线程

有下面的例程，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() 例程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。

3. 实例

这个简单的实例代码使用 pthread_create() 例程创建了 5 个线程。每个线程打印一个 "hello world!" 消息，然后调用 pthread_exit() 终止线程。

#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 w3cschool！" << 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 w3cschool！
hello w3cschool！
hello w3cschool！
hello w3cschool！
hello w3cschool！

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 w3cschool！" 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 w3cschool！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++ -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

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]);
      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

4. 连接和分离线程

有以下两个例程，我们可以用它们来连接或分离线程：

pthread_join (threadid, status) 
pthread_detach (threadid) 

pthread_join() 子例程阻碍调用例程，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() 例程来等待线程的完成。

#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.