编程思想之多线程与多进程--C++中的多线程
《编程思想之多线程与多进程(1)——以操作系统的角度述说线程与进程》一文详细讲述了线程、进程的关系及在操作系统中的表现，《编程思想之多线程与多进程(2)——线程优先级与线程安全》一文讲了线程安全(各种同步锁)和优先级，这是多线程学习必须了解的基础。本文将接着讲一下C++中多线程程序的开发.这里主要讲Windows平台线程的用法，创建线程要调用windows API的CreateThread方法。
创建线程
在Windows平台，Windows API提供了对多线程的支持。前面进程和线程的概念中我们提到，一个程序至少有一个线程，这个线程称为主线程(main thread)，如果我们不显示地创建线程，那我们产的程序就是只有主线程的间线程程序。
下面，我们看看Windows中线程相关的操作和方法：
CreateThread与CloseHandleCreateThread用于创建一个线程，其函数原型如下：
HANDLE WINAPI CreateThread(
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, //线程安全相关的属性，常置为NULL
SIZE_T dwStackSize, //新线程的初始化栈在大小，可设置为0
LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, //被线程执行的回调函数，也称为线程函数
LPVOID lpParameter, //传入线程函数的参数，不需传递参数时为NULL
DWORD dwCreationFlags, //控制线程创建的标志
LPDWORD lpThreadId //传出参数，用于获得线程ID，如果为NULL则不返回线程ID
);
**说明：**lpThreadAttributes：指向SECURITY_ATTRIBUTES结构的指针，决定返回的句柄是否可被子进程继承，如果为NULL则表示返回的句柄不能被子进程继承。
dwStackSize ：线程栈的初始化大小，字节单位。系统分配这个值对
lpStartAddress：指向一个函数指针，该函数将被线程调用执行。因此该函数也被称为线程函数(ThreadProc)，是线程执行的起始地址，线程函数是一个回调函数，由操作系统在线程中调用。线程函数的原型如下：
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter); //lpParameter是传入的参数，是一个空指针
lpParameter：传入线程函数(ThreadProc)的参数，不需传递参数时为NULL
dwCreationFlags：控制线程创建的标志，有三个类型，0：线程创建后立即执行线程；CREATE_SUSPENDED：线程创建后进入就绪状态，直到线程被唤醒时才调用；STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION：dwStackSize 参数指定线程初始化栈的大小，如果STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION标志未指定，dwStackSize将会设为系统预留的值。
返回值：如果线程创建成功，则返回这个新线程的句柄，否则返回NULL。如果线程创建失败，可通过GetLastError函数获得错误信息。
BOOL WINAPI CloseHandle(HANDLE hObject); //关闭一个被打开的对象句柄
可用这个函数关闭创建的线程句柄，如果函数执行成功则返回true(非0),如果失败则返回false(0)，如果执行失败可调用GetLastError.函数获得错误信息。
【Demo1】：创建一个最简单的线程
#include "stdafx.h"
#include <windows.h>
#include <iostream>
using namespace std;
//线程函数
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter)
{
for (int i = 0; i < 5; ++ i)
{
cout << "子线程:i = " << i << endl;
Sleep(100);
}
return 0L;
}
int main()
{
//创建一个线程
HANDLE thread = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, NULL, 0, NULL);
//关闭线程
CloseHandle(thread);
//主线程的执行路径
for (int i = 0; i < 5; ++ i)
{
cout << "主线程:i = " << i << endl;
Sleep(100);
}
return 0;
}
结果如下：
主线程:i = 0
子线程:i = 0
主线程:i = 1
子线程:i = 1
子线程:i = 2
主线程:i = 2
子线程:i = 3
主线程:i = 3
子线程:i = 4
主线程:i = 4
【Demo2】：在线程函数中传入参数
#include "stdafx.h"#include <windows.h>
#include <iostream>
using namespace std;
#define NAME_LINE 40
//定义线程函数传入参数的结构体
typedef struct __THREAD_DATA
{
int nMaxNum;
char strThreadName[NAME_LINE];
__THREAD_DATA() : nMaxNum(0)
{
memset(strThreadName, 0, NAME_LINE * sizeof(char));
}
}THREAD_DATA;
//线程函数
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter)
{
THREAD_DATA* pThreadData = (THREAD_DATA*)lpParameter;
for (int i = 0; i < pThreadData->nMaxNum; ++ i)
{
cout << pThreadData->strThreadName << " --- " << i << endl;
Sleep(100);
}
return 0L;
}
int main()
{
//初始化线程数据
THREAD_DATA threadData1, threadData2;
threadData1.nMaxNum = 5;
strcpy(threadData1.strThreadName, "线程1");
threadData2.nMaxNum = 10;
strcpy(threadData2.strThreadName, "线程2");
//创建第一个子线程
HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, &threadData1, 0, NULL);
//创建第二个子线程
HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, &threadData2, 0, NULL);
//关闭线程
CloseHandle(hThread1);
CloseHandle(hThread2);
//主线程的执行路径
for (int i = 0; i < 5; ++ i)
{
cout << "主线程 === " << i << endl;
Sleep(100);
}
system("pause");
return 0;
}
结果：
主线程 === 线程1 — 0
0
线程2 — 0
线程1 — 1
主线程 === 1
线程2 — 1
主线程 === 2
线程1 — 2
线程2 — 2
主线程 === 3
线程2 — 3
线程1 — 3
主线程 === 4
线程2 — 4
线程1 — 4
线程2 — 5
请按任意键继续… 线程2 — 6
线程2 — 7
线程2 — 8
线程2 — 9
CreateMutex、WaitForSingleObject、ReleaseMutex
从【Demo2】中可以看出，虽然创建的子线程都正常执行起来了，但输出的结果并不是我们预期的效果。我们预期的效果是每输出一条语句后自动换行，但结果却并非都是这样。这是因为在线程执行时没有做同步处理，比如第一行的输出，主线程输出“主线程 ===”后时间片已用完，这时轮到子线程1输出，在子线程输出“线程1 —”后时间片也用完了，这时又轮到主线程执行输出“0”，之后又轮到子线程1输出“0”。于是就出现了“主线程 === 线程1 — 0 0”的结果。
主线程：cout << “主线程 === ” << i << endl;
子线程：cout << pThreadData->strThreadName << ” — ” << i << endl;
为避免出现这种情况，我们对线程做一些简单的同步处理，这里我们用互斥量(Mutex)，关于互斥量(Mutex)的概念，请看《编程思想之多线程与多进程(2)——线程优先级与线程安全》一文；更多C++线程同步的处理，请看下一节。
在使用互斥量进行线程同步时会用到以下几个函数：
HANDLE WINAPI CreateMutex(
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes, //线程安全相关的属性，常置为NULL
BOOL bInitialOwner, //创建Mutex时的当前线程是否拥有Mutex的所有权
LPCTSTR lpName //Mutex的名称
);
**说明：**lpMutexAttributes也是表示安全的结构，与CreateThread中的lpThreadAttributes功能相同，表示决定返回的句柄是否可被子进程继承，如果为NULL则表示返回的句柄不能被子进程继承。bInitialOwner表示创建Mutex时的当前线程是否拥有Mutex的所有权，若为TRUE则指定为当前的创建线程为Mutex对象的所有者，其它线程访问需要先ReleaseMutex。lpName为Mutex的名称。
DWORD WINAPI WaitForSingleObject(
HANDLE hHandle, //要获取的锁的句柄
DWORD dwMilliseconds //超时间隔
);
**说明：**WaitForSingleObject的作用是等待一个指定的对象(如Mutex对象)，直到该对象处于非占用的状态(如Mutex对象被释放)或超出设定的时间间隔。除此之外，还有一个与它类似的函数WaitForMultipleObjects，它的作用是等待一个或所有指定的对象，直到所有的对象处于非占用的状态，或超出设定的时间间隔。
hHandle：要等待的指定对象的句柄。dwMilliseconds：超时的间隔，以毫秒为单位；如果dwMilliseconds为非0，则等待直到dwMilliseconds时间间隔用完或对象变为非占用的状态，如果dwMilliseconds 为INFINITE则表示无限等待，直到等待的对象处于非占用的状态。
BOOL WINAPI ReleaseMutex(HANDLE hMutex);
说明：释放所拥有的互斥量锁对象，hMutex为释放的互斥量的句柄。
【Demo3】：线程同步
#include "stdafx.h"
#include <windows.h>
#include <iostream>
#define NAME_LINE 40
//定义线程函数传入参数的结构体
typedef struct __THREAD_DATA
{
int nMaxNum;
char strThreadName[NAME_LINE];
__THREAD_DATA() : nMaxNum(0)
{
memset(strThreadName, 0, NAME_LINE * sizeof(char));
}
}THREAD_DATA;
HANDLE g_hMutex = NULL; //互斥量
//线程函数
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter)
{
THREAD_DATA* pThreadData = (THREAD_DATA*)lpParameter;
for (int i = 0; i < pThreadData->nMaxNum; ++ i)
{
//请求获得一个互斥量锁
WaitForSingleObject(g_hMutex, INFINITE);
cout << pThreadData->strThreadName << " --- " << i << endl;
Sleep(100);
//释放互斥量锁
ReleaseMutex(g_hMutex);
}
return 0L;
}
int main()
{
//创建一个互斥量
g_hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
//初始化线程数据
THREAD_DATA threadData1, threadData2;
threadData1.nMaxNum = 5;
strcpy(threadData1.strThreadName, "线程1");
threadData2.nMaxNum = 10;
strcpy(threadData2.strThreadName, "线程2");
//创建第一个子线程
HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, &threadData1, 0, NULL);
//创建第二个子线程
HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, &threadData2, 0, NULL);
//关闭线程
CloseHandle(hThread1);
CloseHandle(hThread2);
//主线程的执行路径
for (int i = 0; i < 5; ++ i)
{
//请求获得一个互斥量锁
WaitForSingleObject(g_hMutex, INFINITE);
cout << "主线程 === " << i << endl;
Sleep(100);
//释放互斥量锁
ReleaseMutex(g_hMutex);
}
system("pause");
return 0;
}
结果：
主线程 === 0
线程1 — 0
线程2 — 0
主线程 === 1
线程1 — 1
线程2 — 1
主线程 === 2
线程1 — 2
线程2 — 2
主线程 === 3
线程1 — 3
线程2 — 3
主线程 === 4
线程1 — 4
请按任意键继续… 线程2 — 4
线程2 — 5
线程2 — 6
线程2 — 7
线程2 — 8
线程2 — 9
为进一步理解线程同步的重要性和互斥量的使用方法，我们再来看一个例子。
买火车票是大家春节回家最为关注的事情，我们就简单模拟一下火车票的售票系统(为使程序简单，我们就抽出最简单的模型进行模拟)：有500张从北京到赣州的火车票，在8个窗口同时出售，保证系统的稳定性和数据的原子性。
【Demo4】：模拟火车售票系统
SaleTickets.h :
#include "stdafx.h"
#include <windows.h>
#include <iostream>
#include <strstream>
#include <string>
using namespace std;
#define NAME_LINE 40
//定义线程函数传入参数的结构体
typedef struct __TICKET
{
int nCount;
char strTicketName[NAME_LINE];
__TICKET() : nCount(0)
{
memset(strTicketName, 0, NAME_LINE * sizeof(char));
}
}TICKET;
typedef struct __THD_DATA
{
TICKET* pTicket;
char strThreadName[NAME_LINE];
__THD_DATA() : pTicket(NULL)
{
memset(strThreadName, 0, NAME_LINE * sizeof(char));
}
}THD_DATA;
//基本类型数据转换成字符串
template<class T>
string convertToString(const T val)
{
string s;
std::strstream ss;
ss << val;
ss >> s;
return s;
}
//售票程序
DWORD WINAPI SaleTicket(LPVOID lpParameter);
SaleTickets.cpp ：
#include "stdafx.h"
#include <windows.h>
#include <iostream>
#include "SaleTickets.h"
using namespace std;
extern HANDLE g_hMutex;
//售票程序
DWORD WINAPI SaleTicket(LPVOID lpParameter)
{
THD_DATA* pThreadData = (THD_DATA*)lpParameter;
TICKET* pSaleData = pThreadData->pTicket;
while(pSaleData->nCount > 0)
{
//请求获得一个互斥量锁
WaitForSingleObject(g_hMutex, INFINITE);
if (pSaleData->nCount > 0)
{
cout << pThreadData->strThreadName << "出售第" << pSaleData->nCount -- << "的票,";
if (pSaleData->nCount >= 0) {
cout << "出票成功!剩余" << pSaleData->nCount << "张票." << endl;
} else {
cout << "出票失败！该票已售完。" << endl;
}
}
Sleep(10);
//释放互斥量锁
ReleaseMutex(g_hMutex);
}
return 0L;
}
测试程序：
//售票系统void Test2()
{
//创建一个互斥量
g_hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
//初始化火车票
TICKET ticket;
ticket.nCount = 100;
strcpy(ticket.strTicketName, "北京-->赣州");
const int THREAD_NUMM = 8;
THD_DATA threadSale[THREAD_NUMM];
HANDLE hThread[THREAD_NUMM];
for(int i = 0; i < THREAD_NUMM; ++ i)
{
threadSale[i].pTicket = &ticket;
string strThreadName = convertToString(i);
strThreadName = "窗口" + strThreadName;
strcpy(threadSale[i].strThreadName, strThreadName.c_str());
//创建线程
hThread[i] = CreateThread(NULL, NULL, SaleTicket, &threadSale[i], 0, NULL);
//请求获得一个互斥量锁
WaitForSingleObject(g_hMutex, INFINITE);
cout << threadSale[i].strThreadName << "开始出售 " << threadSale[i].pTicket->strTicketName << " 的票..." << endl;
//释放互斥量锁
ReleaseMutex(g_hMutex);
//关闭线程
CloseHandle(hThread[i]);
}
system("pause");
}
结果：
窗口0开始出售 北京–>赣州 的票…
窗口0出售第100的票,出票成功!剩余99张票.
窗口1开始出售 北京–>赣州 的票…
窗口1出售第99的票,出票成功!剩余98张票.
窗口0出售第98的票,出票成功!剩余97张票.
窗口2开始出售 北京–>赣州 的票…
窗口2出售第97的票,出票成功!剩余96张票.
窗口1出售第96的票,出票成功!剩余95张票.
窗口0出售第95的票,出票成功!剩余94张票.
窗口3开始出售 北京–>赣州 的票…
窗口3出售第94的票,出票成功!剩余93张票.
窗口2出售第93的票,出票成功!剩余92张票.
窗口1出售第92的票,出票成功!剩余91张票.
窗口0出售第91的票,出票成功!剩余90张票.
窗口4开始出售 北京–>赣州 的票…
窗口4出售第90的票,出票成功!剩余89张票.
窗口3出售第89的票,出票成功!剩余88张票.
窗口2出售第88的票,出票成功!剩余87张票.
窗口1出售第87的票,出票成功!剩余86张票.
窗口0出售第86的票,出票成功!剩余85张票.
窗口5开始出售 北京–>赣州 的票…
窗口5出售第85的票,出票成功!剩余84张票.
窗口4出售第84的票,出票成功!剩余83张票.
窗口3出售第83的票,出票成功!剩余82张票.
窗口2出售第82的票,出票成功!剩余81张票.