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线程创建与参数传递 - C++多线程编程（二）

针对thread类给定给定线程操作的基本方法。

1. std::thread

1.1 基本要素

(1)创建myprint子线程并执行
(2) 主线程阻塞到这里等待myprint执行完，当只线程执行完毕，这个join()就开始执行。
如果主线程执行完毕，但是子线程还没有执行完毕，这种程序是不合格的，写出来程序也是不稳定的。这种情况下会执行报错，主要是因为子线程没有执行完毕读写数据就结束。所以主线程一般情况下包含了基本的环境的整理和收尾工作。
（1.3）detach。传统主线程需要等待主线程执行完毕才能推出，现有的方法中可以通过detach进行分离，主线程不需要和子线程汇合，这并不会影响子线程的执行。存在一种情况，如果存在多个线程的情况下，主线程等待子线程的这种方式不是很合理的，通过detach实现分离。但是实际开发中这种情况用的很少。
（1.4）joinable()返回值可以用于判断是否可以使用join或者detach，如果是true可以使用detach，如果是false使用join。

1.2 实现

C++ 11 之后添加了新的标准线程库 std::thread，std::thread 在头文件中声明，因此使用 std::thread 时需要包含在头文件。之前一些编译器使用 C++ 11 的编译参数是 -std=c++11:g++ -std=c++11 test.cpp。std::thread 默认构造函数，创建一个空的 std::thread 执行对象。

#include
std::thread thread_object(callable)

一个可调用对象可以是以下三个中的任何一个：

函数指针
函数对象
lambda 表达式

定义 callable 后，将其传递给 std::thread 构造函数 thread_object。

// 实例
// 演示多线程的CPP程序
// 使用三个不同的可调用对象
#include 
#include 
using namespace std;
 
// 一个虚拟函数
void foo(int Z)
{
    for (int i = 0; i < Z; i++) {
        cout << "线程使用函数指针作为可调用参数\n";
    }
}
 
// 可调用对象
class thread_obj {
public:
    void operator()(int x)
    {
        for (int i = 0; i < x; i++)
            cout << "线程使用函数对象作为可调用参数\n";
    }
};
 
int main()
{
    cout << "线程 1 、2 、3 "
         "独立运行" << endl;
 
    // 函数指针
    thread th1(foo, 3);
 
    // 函数对象
    thread th2(thread_obj(), 3);
 
    // 定义 Lambda 表达式
    auto f = [](int x) {
        for (int i = 0; i < x; i++)
            cout << "线程使用 lambda 表达式作为可调用参数\n";
    };
 
    // 线程通过使用 lambda 表达式作为可调用的参数
    thread th3(f, 3);
 
    // 等待线程完成
    // 等待线程 t1 完成
    th1.join();
 
    // 等待线程 t2 完成
    th2.join();
 
    // 等待线程 t3 完成
    th3.join();
 
    return 0;
}

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
线程 1 、2 、3 独立运行
线程使用函数指针作为可调用参数
线程使用函数指针作为可调用参数
线程使用函数指针作为可调用参数
线程使用函数对象作为可调用参数
线程使用函数对象作为可调用参数
线程使用函数对象作为可调用参数
线程使用 lambda 表达式作为可调用参数
线程使用 lambda 表达式作为可调用参数
线程使用 lambda 表达式作为可调用参数

如果使用一个局部对象，同时使用detach情况线程创建是否成功呢？detach以后会复制对象内容到新的进程，如果对象没有指针或者引用这种方法指出来知道其他局部变量，这个时候创建子线程是成功的。对应的析构函数调用也是复制部分的线程实现的资源释放。

2. 参数传递

多线程处理中利用类构建线程这种方式在detach函数被使用的情况下需要格外注意，主要是因为线程分离以后，释放时间不同导致了传入的参数可能在子线程中已经不存在了。所以这种情况下参数传递时中存在指针、引用和局部变量的情况需要慎重处理。

传递临时对象作为线程参数

void myprint(const int i, char *buf /* const string& buf */)
{
    cout << i << endl;   //这里myvar不是主线程中的具体变量的地址了，是一个复制值，没有问题。
    cout << buf << endl; //陷阱1：指针传入参数地址不再是入参的地址了，这里打印是存在问题的。解决                    
                         //办法字符串通过const string& 临时变量作为参数实现数据传递。但是
                         //char型的mybuf什么时候转const string是一个非常重要的问题，是存在
                         //mybuf存在主线程执行完毕，才会出现将数据复制到const string类型的转换
                         //这种方式是不稳定的。方法是在入参是直接通过string(mybuf）方式提前进行
                         //数据转换 
}
 
int main()
{
    int mvar = 1;
    char buf[] = "Hello world";
    thread myobj(myprint, myvar, mybuf /*string(mybuf）*/);
 
    /*
    string(mubuf)成功的原因可以直接通过类的构造和析构函数来进行测试，最终测试结果说明原因是入参传递时首先是参数的构造参数是先执行的。创建过程会直接复制出一个临时变量来构造传递参数。
    */
 
    myobj.detach();
 
    return 0;
}

总结，传递过程直接使用赋值传递，不使用引用传递。如果传递类对象，直接使用对象临时构造一个Class()来通过临时对象构建传递到函数中。函数传递收函数接口中使用类的应用方式吸收变量，不是使用临时变量类来吸收类。

通过这个获取函数可以发现传递参数过程是在子线程中构造的，而非主线程中构造的类对象参数。如果使用的是临时变量的话，构造过程就是通过主线程构造出来的。所以使用detach时，通过临时变量构造作为参数引用传递给内部。

传递类对象和职能指针作为函数参数进行传递

往子线程中通过引用参数传递过程是通过拷贝构造函数进行参数传递，但是如果你不需要这个样子，就是想传递这个参数，并先把最终的修改返回到主线程中使用。这个时候通过std::ref修饰入参。

智能指针的传递

unique_ptr myp(new int(100));
std::thread myobj(2, std::move(myp));

使用join是没有问题的，但是如果是detach情况下，这个时候会出现指针内存泄露，这种情况下是不允许的。

3. 其他类方法

3.1 get_id

线程ID，线程ID通过C++标准库中获取。

std::this_thread.get_id()

3.2 swap

将当前线程状态和指定入参的状态进行调换。

4. C线程创建

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。一般情况下，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。
基于线程的多任务处理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。

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。

创建线程

下面的程序，我们可以用它来创建一个 POSIX 线程：

#include 
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。下面是关于参数的说明：

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，可以被用来设置线程属性。您可以指定线程属性对象，也可以使用默认值 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，则使用 NULL。

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。

终止线程

使用下面的程序，我们可以用它来终止一个 POSIX 线程：

#include 
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() 函数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。

实例

以下简单的实例代码使用 pthread_create() 函数创建了 5 个线程，每个线程输出"Hello Runoob！":

#include 
// 必须的头文件
#include 
 
using namespace std;
 
#define NUM_THREADS 5
 
// 线程的运行函数
void* say_hello(void* args)
{
    cout << "Hello Runoob！" << endl;
    return 0;
}
 
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 Runoob！
Hello Runoob！
Hello Runoob！
Hello Runoob！
Hello Runoob！

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 Runoob!" 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 
#include 
#include 
 
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 Runoob! 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++ test.cpp -lpthread -o test.o
$ ./test.o
main() : 创建线程, 0
main() : 创建线程, 1
Hello Runoob! 线程 ID, 0
main() : 创建线程, Hello Runoob! 线程 ID, 21

main() : 创建线程, 3
Hello Runoob! 线程 ID, 2
main() : 创建线程, 4
Hello Runoob! 线程 ID, 3
Hello Runoob! 线程 ID, 4

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 
#include 
#include 
 
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);
}

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
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

连接和分离线程

我们可以使用以下两个函数来连接或分离线程：

pthread_join (threadid, status) 
pthread_detach (threadid)

pthread_join() 子程序阻碍调用程序，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() 函数来等待线程的完成。

#include 
#include 
#include 
#include 
 
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);
}