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淺析C++編程傍邊的線程

編輯：關於C++

淺析C++編程傍邊的線程。本站提示廣大學習愛好者：（淺析C++編程傍邊的線程）文章只能為提供參考，不一定能成為您想要的結果。以下是淺析C++編程傍邊的線程正文

線程的概念

C++中的線程的Text Segment和Data Segment都是同享的，假如界說一個函數，在各線程中都可以挪用，假如界說一個全局變量，在各線程中都可以拜訪到。除此以外，各線程還同享以下過程資本和情況：

  •     文件描寫符
  •     每種旌旗燈號的處置方法
  •     以後任務目次
  •     用戶id和組id

然則，有些資本是每一個線程各有一份的：

  •     線程id
  •     高低文，包含各類存放器的值、法式計數器和棧指針
  •     棧空間
  •     errno變量
  •     旌旗燈號屏障字
  •     調劑優先級

我們將要進修的線程庫函數是由POSIX尺度界說的，稱為POSIX thread或pthread。
線程掌握
創立線程

創立線程的函數原型以下：

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);

前往值：勝利前往0,掉敗前往毛病號。

在一個線程中挪用pthread_create()創立新的線程後，以後線程從pthread_create()前往持續往下履行，而新的線程所履行的代碼由我們傳給pthread_create的函數指針start_routine決議。start_routine函數吸收一個參數，是經由過程pthread_create的arg參數傳遞給它的，該參數類型為void*，這個指針按甚麼類型說明由挪用者本身界說。start_routine的前往值類型也是void *,這個指針的寄義異樣由挪用者本身界說。start_routine前往時，這個線程就加入了，其它線程可以挪用pthread_join獲得start_routine的前往值。

pthread_create勝利前往後，新創立的線程的id被填寫到thread參數所指向的內存單位。我們曉得過程id的類型是pid_t，每一個過程的id在全部體系中是獨一的，挪用getpid可以獲得以後過程的id，是一個正整數值。線程id的類型是thread_t，它只在以後過程中包管是獨一的，在分歧的體系中thread_t這個類型有分歧的完成，它能夠是一個整數值，也能夠是一個構造體，也能夠是一個地址，所以不克不及簡略確當成整數用printf打印，挪用pthread_self可以獲得以後線程的id。

我們先來寫一個簡略的例子:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

pthread_t ntid;

void printids(const void *t)
{
    char *s = (char *)t;
  pid_t   pid;
  pthread_t tid;

  pid = getpid();
  tid = pthread_self();
  printf("%s pid %u tid %u (0x%x)\n", s, (unsigned int)pid,
      (unsigned int)tid, (unsigned int)tid);
}

void *thr_fn(void *arg)
{
  printids(arg);
  return NULL;
}

int main(void)
{
  int err;

  err = pthread_create(&ntid, NULL, thr_fn, (void *)"Child Process:");
  if (err != 0) {
    fprintf(stderr, "can't create thread: %s\n", strerror(err));
    exit(1);
  }
  printids("main thread:");
  sleep(1);

  return 0;
}


編譯履行成果以下：

g++ thread.cpp -o thread -lpthread
./thread
main thread: pid 21046 tid 3612727104 (0xd755d740)
Child Process: pid 21046 tid 3604444928 (0xd6d77700)

從成果可以曉得，thread_t類型是一個地址值，屬於統一過程的多個線程挪用getpid可以獲得雷同的過程號，而挪用pthread_self獲得的線程號各不雷同。

假如隨意率性一個線程挪用了exit或_exit，則全部過程的一切線程都終止，因為從main函數return也相當於挪用exit，為了避免新創立的線程還沒有獲得履行就終止，我們在main函數return之前延時1秒，這只是一種權宜之計，即便主線程期待1秒，內核也紛歧定會調劑新創立的線程履行，接上去，我們進修一下比擬好的處理辦法。
終止線程

假如須要只終止某個線程而不是終止全部過程，可以有三種辦法：

  1.     從線程函數return。這類辦法對主線程不順應，從main函數return相當於挪用exit。
  2.     一個線程可以挪用pthread_cancel終止統一個過程中的另外一個線程。
  3.     線程可以挪用pthread_exit終止本身。

    4. 這裡重要引見pthread_exit和pthread_join的用法。

    #include <pthread.h>

void pthread_exit(void *value_ptr);

    value_ptr是void*類型，和線程函數前往值的用法一樣，其它線程可以挪用pthread_join獲得這個指針。
    須要留意，pthread_exit或許return前往的指針所指向的內存單位必需是全局的或許是用malloc分派的，不克不及在線程函數的棧上分派，由於當其它線程獲得這個前往指針時線程函數曾經加入了。

    #include <pthread.h>

int pthread_join(pthread_t thread, void **value_ptr);

    前往值：勝利前往0，掉敗前往毛病號。

    挪用該函數的線程將掛起期待，直到id為thread的線程終止。thread線程以分歧的辦法終止，經由過程pthread_join獲得的終止狀況是分歧的，總結以下：

    •     假如thread線程經由過程return前往，value_ptr所指向的單位裡寄存的是thread線程函數的前往值。
    •     假如thread線程被其余線程挪用pthread_cancel異常終止失落，value_ptr所指向的單位寄存的是常數PTHREAD_CANCELED。
    •     假如thread線程是本身挪用pthread_exit終止的，value_ptr所指向的單位寄存的是傳給pthread_exit的參數。

    假如對thread線程的終止狀況不感興致，可以傳NULL給value_ptr參數。參考代碼以下：

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

void* thread_function_1(void *arg)
{
  printf("thread 1 running\n");
  return (void *)1;
}

void* thread_function_2(void *arg)
{
  printf("thread 2 exiting\n");
  pthread_exit((void *) 2);
}

void* thread_function_3(void* arg)
{
  while (1) {
    printf("thread 3 writeing\n");
    sleep(1);
  }
}


int main(void)
{
  pthread_t tid;
  void *tret;

  pthread_create(&tid, NULL, thread_function_1, NULL);
  pthread_join(tid, &tret);
  printf("thread 1 exit code %d\n", *((int*) (&tret)));

  pthread_create(&tid, NULL, thread_function_2, NULL);
  pthread_join(tid, &tret);
  printf("thread 2 exit code %d\n", *((int*) (&tret)));

  pthread_create(&tid, NULL, thread_function_3, NULL);
  sleep(3);
  pthread_cancel(tid);
  pthread_join(tid, &tret);
  printf("thread 3 exit code %d\n", *((int*) (&tret)));

  return 0;
}

    運轉成果是：

    thread 1 running
thread 1 exit code 1
thread 2 exiting
thread 2 exit code 2
thread 3 writeing
thread 3 writeing
thread 3 writeing
thread 3 exit code -1


    可見，Linux的pthread庫中常數PTHREAD_CANCELED的值是-1.可以在頭文件pthread.h中找到它的界說：

    #define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)


    線程間同步

    多個線程同時拜訪同享數據時能夠會抵觸，例如兩個線程都要把某個全局變量增長1，這個操作在某平台上須要三條指令能力完成：

    •     從內存讀變量值到存放器。
    •     存放器值加1.
    •     將存放器的值寫回到內存。

    這個時刻很輕易湧現兩個過程同時操作存放器變量值的情形，招致終究成果不准確。

    處理的方法是引入互斥鎖(Mutex, Mutual Exclusive Lock)，取得鎖的線程可以完成“讀-修正-寫”的操作，然後釋放鎖給其它線程，沒有取得鎖的線程只能期待而不克不及拜訪同享數據，如許，“讀-修正-寫”的三步操作構成一個原子操作，要不都履行，要不都不履行，不會履行到中央被打斷，也不會在其它處置器上並行做這個操作。

    Mutex用pthread_mutex_t類型的變量表現，可以如許初始化和燒毀：

    #include <pthread.h>

int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_int(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
pthread_mutex_t mutex = PTHEAD_MUTEX_INITIALIZER;


    前往值：勝利前往0，掉敗前往毛病號。

    用pthread_mutex_init函數初始化的Mutex可以用pthread_mutex_destroy燒毀。假如Mutex變量是靜態分派的（全局變量或static變量），也能夠用宏界說PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER來初始化，相當於用pthread_mutex_init初始化而且attr參數為NULL。Mutex的加鎖息爭鎖操作可以用以下函數：

    #include <pthread.h>

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);


    前往值：勝利前往0，掉敗前往毛病號。

    一個線程可以挪用pthread_mutex_lock取得Mutex，假如這時候另外一個線程曾經挪用pthread_mutex_lock取得了該Mutex，則以後線程須要掛起期待，直到另外一個線程挪用pthread_mutex_unlock釋放Mutex，以後線程被叫醒，能力取得該Mutex並持續履行。

    我們用Mutex處理下面說的兩個線程同時對全局變量+1能夠招致雜亂的成績：

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

#define NLOOP 5000

int counter;
pthread_mutex_t counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *do_add_process(void *vptr)
{
  int i, val;

  for (i = 0; i < NLOOP; i ++) {
    pthread_mutex_lock(&counter_mutex);
    val = counter;
    printf("%x:%d\n", (unsigned int)pthread_self(), val + 1);
    counter = val + 1;
    pthread_mutex_unlock(&counter_mutex);
  }

  return NULL;
}

int main()
{
  pthread_t tida, tidb;

  pthread_create(&tida, NULL, do_add_process, NULL);
  pthread_create(&tidb, NULL, do_add_process, NULL);

  pthread_join(tida, NULL);
  pthread_join(tidb, NULL);

  return 0;
}

    如許，每次運轉都能顯示到10000。假如去失落鎖機制，能夠就會有成績。這個機制相似於Java的synchronized塊機制。
    Condition Variable

    線程間的同步還有如許一種情形：線程A須要等某個前提成立能力持續往下履行，如今這個前提不成立，線程A就壅塞期待，而線程B在履行進程中使這個前提成立了，就叫醒線程A持續履行。在pthread庫中經由過程前提變量(Conditiion Variable)來壅塞期待一個前提，或許叫醒期待這個前提的線程。Condition Variable用pthread_cond_t類型的變量表現，可以如許初始化和燒毀：

    #include <pthread.h>

int pthread_cond_destory(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_init(pthead_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

    前往值：勝利前往0，掉敗前往毛病號。

    和Mutex的初始化和燒毀相似，pthread_cond_init函數初始化一個Condition Variable，attr參數為NULL則表現缺省屬性，pthread_cond_destroy函數燒毀一個Condition Variable。假如Condition Variable是靜態分派的，也能夠用宏界說PTHEAD_COND_INITIALIZER初始化，相當於用pthread_cond_init函數初始化而且attr參數為NULL。Condition Variable的操作可以用以下函數：

    #include <pthread.h>

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);


    可見，一個Condition Variable老是和一個Mutex搭配應用的。一個線程可以挪用pthread_cond_wait在一個Condition Variable上壅塞期待，這個函數做以下三步操作：

    1.     釋放Mutex。
    2.     壅塞期待。
    3.     當被叫醒時，從新取得Mutex並前往。

      4. pthread_cond_timedwait函數還有一個額定的參數可以設定期待超時，假如達到了abstime所指定的時辰依然沒有其余線程來叫醒以後線程，就前往ETIMEDOUT。一個線程可以挪用pthread_cond_signal叫醒在某個Condition Variable上期待的另外一個線程，也能夠挪用pthread_cond_broadcast叫醒在這個Condition Variable上期待的一切線程。

      上面的法式演示了一個臨盆者-花費者的例子，臨盆者臨盆一個構造體串在鏈表的表頭上，花費者從表頭取走構造體。

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

struct msg {
  struct msg *next;
  int num;
};

struct msg *head;
pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* consumer(void *p)
{
  struct msg *mp;

  for(;;) {
    pthread_mutex_lock(&lock);
    while (head == NULL) {
      pthread_cond_wait(&has_product, &lock);
    }
    mp = head;
    head = mp->next;
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    printf("Consume %d\n", mp->num);
    free(mp);
    sleep(rand() % 5);
  }
}

void* producer(void *p)
{
  struct msg *mp;

  for(;;) {
    mp = (struct msg *)malloc(sizeof(*mp));
    pthread_mutex_lock(&lock);
    mp->next = head;
    mp->num = rand() % 1000;
    head = mp;
    printf("Product %d\n", mp->num);
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    pthread_cond_signal(&has_product);
    sleep(rand() % 5);
  }
}

int main()
{
  pthread_t pid, cid;
  srand(time(NULL));

  pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
  pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);

  pthread_join(pid, NULL);
  pthread_join(cid, NULL);

  return 0;
}

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