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C++ 多线程编程

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

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是程序的并发执行

Windows 下 QQ 可以多开就是多进程处理的一个例子
基于线程的多任务处理是同一程序的片段的并发执行

迅雷下载就是一个多线程任务的例子

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

本章节是基于 POSIX 操作系统的，因为我们要用它的 <pthread.h> 和 libpthread.a 来开发多线程程序

POSIX 表示可移植操作系统接口 ( Portable Operating System Interface of UNIX，缩写为 POSIX )

目前主流的 Linux 和 Mac OS 都属于 POSIX 系统，但是，抱歉，Windows 不是

所以，如果你使用的是 Windows 电脑，别灰心，先练练其它的，以后有的是机会学习这个

pthread

基于 POSIX 开发多线程程序需要加载 <pthread.h>
```
#include <pthread.h>
```
pthread 提供了一个类型 pthread_t 用来表示一个线程
pthread 库不是 Linux 和 Mac OS 系统默认的库，编译连接时需要加上静态库 libpthread.a，就像下面这样
```
g++ main.cpp -lpthread
```

创建线程 pthread_create()

pthread.h 提供了 pthread_create() 用来创建一个 POSIX 线程，并立即让它执行

pthread_create (thread, attr, start_routine, arg)

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

参数	描述
thread	指向线程标识符指针
attr	一个不透明的属性对象，用来设置线程属性可以指定线程属性对象，也可以传递 `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，可以使用 `NULL`

我们写一个范例来演示下 pthread_create()

/**
 * file: main.cpp
 * author: 简单教程(www.twle.cn)
 *
 * Copyright © 2015-2065 www.twle.cn. All rights reserved.
 */

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

// 线程要运行的函数

void* greeting(void* args)
{
    std::cout << "Hello www.twle.cn" << std::endl;

    return NULL;
}


int main()
{
    // 定义线程的 id 变量
    pthread_t tid;

    // 创建线程
    // 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(&tid, NULL, greeting, NULL);

    // 创建失败
    if (ret != 0)
    {
        std::cout << "pthread_create error: error_code = ";
        std::cout << ret << std::endl;
    }

    return 0;
}

编译运行上面的 C++ 代码，输出结果如下

$ g++ main.cpp -lpthread && a.out
main.cpp:18:1: warning: control reaches end of non-void function [-Wreturn-type]
}
^
1 warning generated.

发生了什么事？怎么什么都没有输出？

别着急啊，原因是这样的，就是呢，main() 函数虽然创建了一个线程，但是它没有等它运行完可能自己就先执行完了，所以就没有任何输出了

要等待新创建的线程运行完，main() 再退出，就要用到 pthread 提供的另一个函数 pthread_exit()

终止线程 pthread_exit()

pthread_exit() 函数用来终止一个 POSIX 线程，其实它的作用更像是向创建它的人说我要退出啦...

pthread_exit (status)

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

线程执行完任务了也会自己退出，不用显示调用 pthread_exit() ，不然有点像脱裤子放屁，多此一举

一般情况下，pthread_create() 创建的线程会在 main() 函数执行完毕时自动终止

对，这就是上面范例没有任何输出的原因

但如果在 main() 函数中显示的调用了 pthread_exit()，那么主线程(可以理解为 main() 函数) 就会继续等待它创建的线程全部退出，自己再退出

我们把上面那个范例完善下，让 main() 调用 pthread_exit() 等待子线程退出

/**
 * file: main.cpp
 * author: 简单教程(www.twle.cn)
 *
 * Copyright © 2015-2065 www.twle.cn. All rights reserved.
 */

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

// 线程要运行的函数

void* greeting(void* args)
{
    std::cout << "Hello www.twle.cn" << std::endl;
    return NULL;
}


int main()
{
    // 定义线程的 id 变量
    pthread_t tid;

    // 创建线程
    // 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(&tid, NULL, greeting, NULL);

    // 创建失败
    if (ret != 0)
    {
        std::cout << "pthread_create error: error_code = ";
        std::cout << ret << std::endl;
    }

    pthread_exit( NULL );

    return 0;
}

编译运行上面的 C++ 代码，输出结果如下

$ g++ main.cpp -lpthread && a.out
Hello www.twle.cn

唠叨几句，我一开始很不能理解为什么加一个 pthread_exit(NULL) 就会等待子线程退出，后来我想了想，其实这个的意思就是告诉 main() 的调用者，我要退出了，可以吗？调用者一看，你还有子线程没运行完呢，你再等等

创建一打线程

我们已经学会了如何创建单个线程，如果要创建多个呢？比如创建一打 (12个)，要怎么做呢？

别紧张，都一样，区别只是要创建一个数组来装这一打线程的 id 值

/**
 * file: main.cpp
 * author: 简单教程(www.twle.cn)
 *
 * Copyright © 2015-2065 www.twle.cn. All rights reserved.
 */

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

// 线程要运行的函数

void* greeting(void* args)
{
    std::cout << "Hello www.twle.cn\n";
    return NULL;
}

// 定义线程数量
#define NUM_THREADS 12


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)
    {
        int ret = pthread_create(&tids[i], NULL, greeting, NULL);
        if (ret != 0)
        {
           std::cout << "pthread_create error: error_code=";
           std::cout << ret << std::endl;
        }
    }


    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

编译运行上面的 C++ 代码，输出结果如下

$ g++ main.cpp -lpthread && a.out
Hello www.twle.cn
Hello www.twle.cn
Hello www.twle.cn
Hello www.twle.cn
Hello www.twle.cn
Hello www.twle.cn
Hello www.twle.cn
Hello www.twle.cn
Hello www.twle.cn
Hello www.twle.cn
Hello www.twle.cn
Hello www.twle.cn

pthread_create() 中的 arg 参数

上面的范例一口气创建了 12 个线程输出了 12 个 Hello www.twle.cn，但是，鬼知道哪个是哪个输出的啊，有没有办法标记下呢？

有的，就是 pthread_create() 中最后那个 arg 参数

arg 参数是主动传递给运行函数 (start_routine) 的参数，它必须强制转换为 void 类型进行传递

有了这个参数，我们就可以把当前线程的顺序传递给 greeting() 函数了

/**
 * file: main.cpp
 * author: 简单教程(www.twle.cn)
 *
 * Copyright © 2015-2065 www.twle.cn. All rights reserved.
 */

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

// 线程要运行的函数

void* greeting(void* args)
{
    // 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*)args);

    printf("Thread %2d  say: Hello www.twle.cn\n",tid);
    return NULL;
}

// 定义线程数量
#define NUM_THREADS 12


int main()
{
    // 定义线程的 id 变量，多个变量使用数组
    pthread_t tids[NUM_THREADS];

    // 创建一个 index 数组用于保存线程顺序
    int index[NUM_THREADS];

    for(int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i)
    {
        index[i] = i+1;

        int ret = pthread_create(&tids[i], NULL, greeting, (void *)&(index[i]));
        if (ret != 0)
        {
            printf("pthread_create error: error_code=%d\n",ret);
        }
    }


    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

为什么抛弃了 <iostream> 用 <stdio> ，那是因为好理解，不然你可以试一试，试完了就会问我一大堆的问题了

编译运行上面的 C++ 代码，输出结果如下

$ g++ main.cpp -lpthread && a.out
Thread  1  say: Hello www.twle.cn
Thread  3  say: Hello www.twle.cn
Thread  2  say: Hello www.twle.cn
Thread  4  say: Hello www.twle.cn
Thread  5  say: Hello www.twle.cn
Thread  6  say: Hello www.twle.cn
Thread  7  say: Hello www.twle.cn
Thread  8  say: Hello www.twle.cn
Thread  9  say: Hello www.twle.cn
Thread 10  say: Hello www.twle.cn
Thread 11  say: Hello www.twle.cn
Thread 12  say: Hello www.twle.cn

向线程传递参数

终于看清了哪个是哪个输出的了，但是前篇一律的 Hello www.twle.cn 也是烦人啊，这个能否也作为参数传递呢？

答案是肯定的，我们可以构造一个结构体，然后通过传递结构体的方法达到传递多个参数

/**
 * file: main.cpp
 * author: 简单教程(www.twle.cn)
 *
 * Copyright © 2015-2065 www.twle.cn. All rights reserved.
 */

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

// 定义一个结构体作为参数
struct thread_data{
   int  tid;
   const char *msg;
};


// 线程要运行的函数

void* greeting(void* args)
{
    struct thread_data *data;

    data = (struct thread_data *) args;


    printf("Thread %2d  say: Hello %s\n",data->tid,data->msg);
    return NULL;
}

// 定义线程数量
#define NUM_THREADS 5


// 定义 5 个问候对象
const char *sayto[5] = {
    "Python",
    "PHP",
    "Perl",
    "www.twle.cn",
    "C++"
};


int main()
{
    // 定义线程的 id 变量，多个变量使用数组
    pthread_t tids[NUM_THREADS];

    struct thread_data td[NUM_THREADS];

    for(int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i)
    {
        td[i].tid = i+1;
        td[i].msg = sayto[i];

        int ret = pthread_create(&tids[i], NULL, greeting, (void *)&(td[i]));
        if (ret != 0)
        {
            printf("pthread_create error: error_code=%d\n",ret);
        }
    }


    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

编译运行上面的 C++ 代码，输出结果如下

$ g++ main.cpp -lpthread && a.out
Thread  2  say: Hello PHP
Thread  3  say: Hello Perl
Thread  1  say: Hello Python
Thread  4  say: Hello www.twle.cn
Thread  5  say: Hello C++

参考文档

IEEE and The Open Group <pthread.h>

← C++ 日期 & 时间 C++ CGI Web 编程 →

C++ 多线程编程

pthread

创建线程 pthread_create()

终止线程 pthread_exit()

创建一打线程

pthread_create() 中的 arg 参数

向线程传递参数

参考文档

C++ 基础教程