pthread多线程: 创建最简单的线程

1. 目的

Pthread 提供了 Linux / MacOSX 等系统下的一套多线程 API。使用多线程可以用于提升 CPU 利用率， 加速任务执行等。

1.1 不使用 Pthread 的情况

如果要使用多线程， 但是又不使用 Pthread， 我只能想到如下几种情况：

1. 限定在 Windows 操作系统上，使用 Windows 的那一套多线程 API
2. 使用 std::thread, 坚定的 modern C++, pure C++ 信仰
3. 有一套封装好了的 API， 能支持当前系统， 例如封装了 Pthread 和 Windows thread, 甚至封装了 std::thread

1.2 使用 Pthread 的情况

实际上 Pthread 在非常多的 操作系统 x 编译器 x 硬件平台 组合条件下可以使用：

• Linux x64 环境： 例如服务端编程，搞Web后端网络开发的
• 深度学习加速，当然可能 openmp 也基本够用
• Android 和 TDA4 这样的嵌入式设备上，对应到手机、车载两大消费者平台

1.3 使用 Pthread 的好处

使用 Pthread 还有额外的好处：

• 能使用 std::thread, 大概率也能使用 Pthread，Windows 上有 Windows-Pthreads 库可以使用
• Pthread 是 C 接口， 纯 C 环境仍然可以使用
• Pthread 的例子很多， 开源代码也很多，甚至可能比 std::thread 的资料和例子多不止一倍

以上，是我学习使用 Pthread 的主要原因。

2. Pthread 创建线程的 API

2.1 环境

使用 ubuntu 22.04。它自带的 man 可以查询 pthread 的 API。

2.2 pthread_create()

man pthread_create

PTHREAD_CREATE(3)                                                 Linux Programmer's Manual                                                PTHREAD_CREATE(3)

NAME
       pthread_create - create a new thread

SYNOPSIS
       #include 

       int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                          void *(*start_routine) (void *), void *arg);

       Compile and link with -pthread.

2.3pthread_join()

这个API用于在当前线程等待子线程的结束。

PTHREAD_JOIN(3)                                                   Linux Programmer's Manual                                                  PTHREAD_JOIN(3)

NAME
       pthread_join - join with a terminated thread

SYNOPSIS
       #include 

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

       Compile and link with -pthread.

3. 创建最简单的线程

3.1 要点

何为最简单？能省则省， 能用默认就用默认。换言之使用最小必要条件创建一个子线程。

要点：

• 子线程需要执行一个函数，需要实现这个函数 f （命名就很简洁）
• 函数 f 需要返回 void* 类型
• 函数 f 需要传入 void* 类型参数
• 创建线程， 需要调用 pthread_create() 函数
• 主线程需要等待线程结束，调用 pthread_join() 函数
• 只创建一个子线程

3.2 代码

按如上要点很容易写出如下实现：
simplest.cpp

//
// 最简单的 pthread 创建线程的例子: 创建一个线程。线程参数和线程属性都用NULL
//

#include 
#include 

// 1. 线程函数返回值， 必须是 void*
// 2. 线程函数参数， 必须只有一个， 类型必须是 void*
void* f(void*)
{
    printf("This is thread function\n");
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t t; // 3. 创建线程对象变量
    pthread_create(&t, NULL, f, NULL); // 4. 创建线程： 传入线程对象（参数1）， 传入线程函数（参数3）。

    pthread_join(t, NULL); // 等待线程结束

    return 0;
}

编译并运行:

zz@Legion-R7000P% clang++ simplest.cpp 
zz@Legion-R7000P% ./a.out             
This is thread function

可以看到， 函数 f 被执行， 而 f 并不是按常规的 f() 方式显式调用，而是一种回调(callback)方式调用的。

4. 创建多个子线程

4.1 要点

基于前一节的代码，这次创建4个线程。创建线程、等待子线程结束的两段代码，各自用 for 循环包裹起来即可实现。

4.2 代码

multiple_threads.cpp:

//
// 创建多个线程。线程属性和线程参数仍然用NULL。
//

#include 
#include 

void* hello(void*)
{
    printf("This is hello\n");
    return NULL;
}

int main()
{
    const int N = 4;
    pthread_t t[N];
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        pthread_create(&t[i], NULL, hello, NULL);
    }
    
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        pthread_join(t[i], NULL);
    }

    return 0;
}

编译并运行:

zz@Legion-R7000P% clang++ multiple_threads.cpp 
zz@Legion-R7000P% ./a.out 
This is hello
This is hello
This is hello
This is hello

可以看到， 输出了4句相同的 This is hello, 说明确实运行了4次 f 函数， 而且主线程并没有显式调用 f(), 而是一种回调方式， 通过子线程来实现的调用。

5. 总结

这里的例子很简单， 说是简陋也不为过：

• 参数是 NULL，没有传递有效参数
• 各个线程之间独立， 没有展示互相依赖的情况
• 主线程等待子线程结束， 没有考虑不需要等待的情况