编程思想之多线程与多进程(4)：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CloseHandle

CreateThread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

#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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

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.