C++中的多线程

2015-05-16

@(C Plus Plus)

多线程的概念在操作系统里面有详细的介绍，这里就不浪费时间了。具体的介绍一下C++编程语言里的多线程编程。
在有些编程语言中，对多线程或者并发的支持是直接内建在语言中，比如Ada和VHDL，但是在C++里面，对多线程的支持是由具体的操作系统提供的函数接口来支持的，不同的操作系统具体实现方法不同。

前面的一篇文章（Linux下多线程（C语言））介绍了如何在Linux下进行多线程编程，Linux环境下的多线程编程是基于pthread，遵循POSIX线程接口，需要使用pthread.h头文件，链接的时候需要使用库libpthread.a，是用过clone()实现的，类似于fork()。
这篇文章介绍一下在Windows下多线程编程的基本知识。

进程的创建

线程的状态

在一个线程的生存周期内，存在多种县城的状态，但是基于不同的操作系统平台，也有不同的线程模型，定义的线程的状态也有不同，但是总体来说，线程的几种状态还是比较通用的：

就绪：参与调度，等待执行，一旦获取CPU使用权，立即执行；
运行：使用CPU，正在运行；
休眠：暂不参加调度，等待需要的资源满足后，触发事件进入就绪状态；
终止：线程运行结束，等待回收线程资源。

线程的资源

线程存在于进程中，进程中所有的资源对于进程内部的线程都是可见的，进程中典型的资源如下：

代码区：进程内部的代码对于每个线程都是可见的，代码区只有一份实体；
静态存储区：
全局变量：
静态变量：
动态存储区：

线程内部的资源有：

本地栈空间：存放本线程的函数调用栈，函数内部变量；
部分寄存器：

主线程与从线程

一个进程开始运行后，就会产生一个缺省的线程，通常这个线程为主线程。C++程序中主线程就是通过main函数进入线程，由主线程衍生的线程称作是从线程，从线程也有自己的函数入口，作用类似于main函数。对于普通的线程模型，主线程比较特殊，它与其他线程之间是父子线程的关系，但是从线程之间是对等关系（peer to peer），不存在隐含的层次关系。

线程的入口函数

线程都有自己的入口函数，pthread和winapi都是使用函数指针的方式传递入口函数，同时也可以指定函数的参数，但是函数的参数都是void *类型，pthread的返回类型是void *类型，winapi的函数返回类型是unsigned int类型，线程的入口函数是全局函数。

Windows下多线程编程

创建多线程

Windows SDK提供了创建进程的函数CreateThread()，该函数的定义如下：

HANDLE CreateThread(
 LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsa,
 DWORD cbStack,
 LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddr,
 LPVOID lpvThreadParam,
 DWORD fdwCreate,
 LPDWORD lpIDThread
);

参数简介：

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsa是安全树形结构体，主要控制该线程的句柄可否为进程的子进程继承使用，默认使用NULL表示不能继承；若想继承线程句柄，则需要设置改结构体，将结构体的bInheritHandle成员初始化为TRUE；
DWORD cbStack表示线程初始栈的大小，若是0表示采用默认大小初始化；
LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddr表示线程开始的位置，即函数入口位置；
LPVOID lpvThreadParam用来接收线程过程函数的参数，不需要时可以设置为NULL；
DWORD fdwCreate表示线程创建时的标志，CREATE_SUSPENDED表示线程创建后挂起暂不执行，必须调用ResumeThread才可以执行，0表示线程创建后立即执行；
LPDWORD lpIDThread保存线程的ID

下面一个简单的程序来演示Windows下多线程编程：

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <windows.h>

using namespace std;

DWORD WINAPI FunProc(LPVOID lpParam);

int main()
{
    int j = 0;
    HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL,
        0,
        FunProc,
        NULL,
        0,
        NULL);
    CloseHandle(hThread1);
    while(j++ < 100)
        cout<<" Main Thread is running for "<<"the "<<j<<" times "<<endl;
    system("pause");
    return 0;
}

DWORD WINAPI FunProc(LPVOID lpParam)
{
    int i = 0;
    while(i++ < 100)
        cout<<" Thread 1 is running for "<<"the "<<i<<" times "<<endl;
    return 0;
}

互斥信号量

多线程编程避免不了访问临界区的问题，创建互斥量的函数的定义如下：

HANDLE CreateMutex(
 LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,
 BOOL bInitialOwner,
 LPCTSTR lpName
);

参数简介：

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes与前面的一样，是安全结构体，默认是NULL；
BOOL bInitialOwner其值为FALSE表示创建Mutex，不指定所有权，其值为TRUE，指定当前创建进程的ID为所有者，其他线程访问需要先ReleaseMutex
LPCTSTR lpName表示用于设置Mutex的名字，为NULL时表示匿名互斥量。

使用互斥量的另外两个函数是：
WaitForSingleObject()：请求一个互斥量的访问权；
ReleaseMutex()：释放一个互斥量的访问权。

一个简单的应用程序：

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <windows.h>

using namespace std;

DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID lpParam);
DWORD WINAPI Fun2Proc(LPVOID lpParam);

int tickets = 100;
HANDLE hMutex;

int main()
{
    int j = 0;
    hMutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);
    HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL,
        0,
        Fun1Proc,
        NULL,
        0,
        NULL);
    HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL,
        0,
        Fun2Proc,
        NULL,
        0,
        NULL);
    CloseHandle(hThread1);
    CloseHandle(hThread2);
    system("pause");
    return 0;
}
DWORD WINAPI Fun1Proc(LPVOID lpParam)
{
    while(true)
    {
        WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);
        if(tickets > 0)
        {
            Sleep(10);
            cout<<"Thread 1 sell tickets : "<<tickets--<<endl;
        }
        else
            break;
        ReleaseMutex(hMutex);
    }
    return 0;
}
DWORD WINAPI Fun2Proc(LPVOID lpParam)
{
    while(true)
    {
        WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);
        if(tickets > 0)
        {
            Sleep(10);
            cout<<"Thread 2 sell tickets : "<<tickets--<<endl;
        }
        else
            break;
        ReleaseMutex(hMutex);
    }
    return 0;
}

参考

Windows线程函数概述 - 《C++编程艺术》
秒杀多线程系列