C 多线程编程入门.doc

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1、第1节 背景 为了更好的理解多线程的概念，先对进程，线程的概念背景做一下简单介绍。早期的计算机系统都只允许一个程序独占系统资源，一次只能执行一个程序。在大型机年代，计算能力是一种宝贵资源。对于资源拥有方来说，最好的生财之道自然是将同一资源同时租售给尽可能多的用户。最理想的情况是垄断全球计算市场。所以不难理 解为何当年IBM预测“全球只要有4台计算机就够了”。 这种背景下，一个计算机能够支持多个程序并发执行的需求变得十分迫切。由此产生了进程的概念。进程在多数早期多任务操作 系统中是执行工作的基本单元。进程是包含程序指令和相关资源的集合。每个进程和其他进程一起参与调度，竞争CPU，内存等系统资源。

2、每次进程切换，都存在进程资源的保存和恢复动作，这称为上下文切换。 进程的引入可以解决支持多用户的问题，但是多进程系统也在如下方面产生了新的问题：进程频繁切换引起的额外开销可能会严重影响系统性能。 进程间通信要求复杂的系统级实现。 在程序功能日趋复杂的情况下，上述缺陷也就凸现出来。比如，一个简单的GUI程序，为了有更好的交互性，通常用一个任务支持界面交互，另一个任务支持后台运算。如果每个任务均由一个进程来实现，那会相当低效。对每个进程来说，系统资源看上去都是其独占的。比如内存空间，每个进程认为自己的内存空间是独有的。一次切换，这些独立资源都需要切换。 由此就演化出了利用分配给同一个进程的资源，尽

3、量实现多个任务的方法。这也就引入了线程的概念。同一个进程内部的多个线程，共享的是同一个进程的所有资源。比如，与每个进程独有自己的内存空间不同，同属一个进程的多个线程共享该进程的内存空间。例如在进程地址空间中有一个全局变量globalVar，若A线程将其赋值为1，则另一线程B可以看到该变量值为1。两个线程看到的全局变量globalVar是同一个变量。通过线程可以支持同一个应用程序内部的并发，免去了进程频繁切换的开销，另外并发任务间通信也更简单。 目前多线程应用主要用于两大领域：网络应用和嵌入式应用。为什么在这两个领域应用较多呢？因为多线程应用能够解决两大问题：并发。网络程序具有天生的并发性。比如

4、网络数据库可能需要同时处理数以千计的请求。而由于网络连接的时延不确定性和不可靠性，一旦等待一次网络交互，可以让当前线程进入睡眠，退出调度，处理其他线程。这样就能够有效利用系统资源，充分发挥系统 实时处理能力。线程的切换是轻量级的，所以可以保证足够快。每当有事件发生，状态改变，都能有线程及时响应，而且每次线程内部处理的计算强度和复杂度都不大。在这种情况下，多线程实现的模型也是高效的。在有些语言中，对多线程或者并发的支持是直接内建在语言中的，比如Ada和VHDL。在C+里面，对多线程的支持由具体操作系统提供的函数接口支持。不同的系统中具体实现方法不同。后面所有例子只给出windows和Unix/L

5、inux的实现。在后面的实现中，考虑的是尽量封装隔离底层的多线程函数接口，屏蔽操作系统底层的线程实现具体细节，介绍的重点是多线程编程中较通用的概念。同时也尽量体现C+面向对象的一面。最后，由于空闲时间有限，我只求示例代码能够明确表达自己的意思即可。至于代码的尽善尽美就只能有劳各位尽力以为之了。 第2节 线程的创建 本节介绍如下内容：线程状态、线程运行环境、线程类定义 示例程序：线程类的Windows和Unix实现 线程状态 在一个线程的生存期内，可以在多种状态之间转换。不同操作系统可以实现不同的线程模型，定义许多不同的线程状态，每个状态还可以包含多个子状态。但大体说来，如下几种状态是通用的：

6、就绪：参与调度，等待被执行。一旦被调度选中，立即开始执行。 运行：占用CPU，正在运行中。 休眠：暂不参与调度，等待特定事件发生。 中止：已经运行完毕，等待回收线程资源（要注意，这个很容易误解，后面解释）。 线程环境 线程存在于进程之中。进程内所有全局资源对于内部每个线程均是可见的。 进程内典型全局资源有如下几种： 代码区。这意味着当前进程空间内所有可见的函数代码，对于每个线程来说也是可见的。 静态存储区。全局变量。静态变量。 动态存储区。也就是堆空间。 线程内典型的局部资源有： 本地栈空间。存放本线程的函数调用栈，函数内部的局部变量等。 部分寄存器变量。例如本线程下一步要执行代码的指针偏移量

7、。 一个进程发起之后，会首先生成一个缺省的线程，通常称这个线程为主线程。C/C+程序中主线程就是通过main函数进入的线程。由主线程衍生的线程称为从线程，从线程也可以有自己的入口函数，作用相当于主线程的main函数。 这个函数由用户指定。Pthread和winapi中都是通过传入函数指针实现。在指定线程入口函数时，也可以指定入口函数的参数。就像main函数有固定的格式要求一样，线程的入口函数一般也有固定的格式要求，参数通常都是void *类型，返回类型在pthread中是void *, winapi中是unsigned int，而且都需要是全局函数。最常见的线程模型中，除主线程较为特殊之外，其

8、他线程一旦被创建，相互之间就是对等关系 (peer to peer)， 不存在隐含的层次关系。每个进程可以创建的最大线程数由具体实现决定。 为了更好的理解上述概念，下面通过具体代码来详细说明。 线程类接口定义。一个线程类无论具体执行什么任务，其基本的共性无非就是： 创建并启动线程、停止线程。另外还有就是能睡，能等，能分离执行（有点拗口，后面再解释）。 还有其他的可以继续加 将线程的概念加以抽象，可以为其定义如下的类： 文件 thread.h #ifndef _THREAD_H_ #define _THREAD_H_ class Thread public: Thread(); virtual

9、Thread(); int start (void * = NULL); void stop(); void sleep (int); void detach(); void * wait(); protected: virtual void * run(void *) = 0; private: /这部分win和unix略有不同，先不定义，后面再分别实现。 /顺便提一下，我很不习惯写中文注释，这里为了更明白一 /点还是选用中文。 ; #endif Thread:start()函数是线程启动函数，其输入参数是无类型指针。 Thread:stop()函数中止当前线程。 Thread:sleep(

10、)函数让当前线程休眠给定时间，单位为秒。 Thread:run()函数是用于实现线程类的线程函数调用。 Thread:detach()和thread:wait()函数涉及的概念略复杂一些。在稍后再做解释。 Thread类是一个虚基类，派生类可以重载自己的线程函数。下面是一个例子。 示例程序 代码写的都不够精致，暴力类型转换比较多，欢迎有闲阶级美化，谢过了先。 文件create.h #ifndef _CREATOR_H_ #define _CREATOR_H_ #include #include thread.h class Create: public Thread protected: vo

11、id * run(void * param) char * msg = (char*) param; printf (%sn, msg); /sleep(100); 可以试着取消这行注释，看看结果有什么不同。 printf(One day past.n); return NULL; ; #endif 然后，实现一个main函数，来看看具体效果： 文件Genesis.cpp #include #include create.h int main(int argc, char* argv) Create monday; Create tuesday; printf(At the first God

12、 made the heaven and the earth.n); monday.start(Naming the light, Day, and the dark, Night, the first day.); tuesday.start(Gave the arch the name of Heaven, the second day.); printf(These are the generations of the heaven and the earth.n); return 0; 编译运行，程序输出如下： At the first God made the heaven and

13、the earth. These are the generations of the heaven and the earth. 令人惊奇的是，由周一和周二对象创建的子线程似乎并没有执行！这是为什么呢？别急，在最后的printf语句之前加上如下语句： monday.wait(); tuesday.wait(); 重新编译运行，新的输出如下： At the first God made the heaven and the earth. Naming the light, Day, and the dark, Night, the first day. One day past. Gave t

14、he arch the name of Heaven, the second day. One day past. These are the generations of the heaven and the earth. 为了说明这个问题，需要了解前面没有解释的Thread:detach()和Thread:wait()两个函数的含义。 无论在windows中，还是Posix中，主线程和子线程的默认关系是：无论子线程执行完毕与否，一旦主线程执行完毕退出，所有子线程执行都会终止。这时整个进程结束或僵死（部分线程保持一种终止执行但还未销毁的状态，而进程必须在其所有线程销毁后销毁，这时进程处于僵死

15、状态），在第一个例子的输出中，可以看到子线程还来不及执行完毕，主线程的main()函数就已经执行完毕，从而所有子线程终止。 需要强调的是，线程函数执行完毕退出，或以其他非常方式终止，线程进入终止态（请回顾上面说的线程状态），但千万要记住的是，进入终止态后，为线程分配的系统资源并不一定已经释放，而且可能在系统重启之前，一直都不能释放。终止态的线程，仍旧作为一个线程实体存在与操作系统中。（这点在win和unix中是一致的。）而什么时候销毁线程，取决于线程属性。通常，这种终止方式并非我们所期望的结果，而且一个潜在的问题是未执行完就终止的子线程，除了作为线程实体占用系统资源之外，其线程函数所拥有的资源

16、（申请的动态内存，打开的文件，打开的网络端口等）也不一定能释放。所以，针对这个问题，主线程和子线程之间通常定义两种关系： 可会合(joinable)。这种关系下，主线程需要明确执行等待操作。在子线程结束后，主线程的等待操作执行完毕，子线程和主线程会合。这时主线程继续执行等待操作之后的下一步操作。主线程必须会合可会合的子线程，Thread类中，这个操作通过在主线程的线程函数内部调用子线程对象的wait()函数实现。这也就是上面加上三个wait()调用后显示正确的原因。必须强调的是，即使子线程能够在主线程之前执行完毕，进入终止态，也必需显示执行会合操作，否则，系统永远不会主动销毁线程，分配给该线程

17、的系统资源（线程id或句柄，线程管理相关的系统资源）也永远不会释放。 相分离(detached)。顾名思义，这表示子线程无需和主线程会合，也就是相分离的。这种情况下，子线程一旦进入终止态，系统立即销毁线程，回收资源。无需在主线程内调用wait()实现会合。Thread类中，调用detach()使线程进入detached状态。 这种方式常用在线程数较多的情况，有时让主线程逐个等待子线程结束，或者让主线程安排每个子线程结束的等待顺序，是很困 难或者不可能的。所以在并发子线程较多的情况下，这种方式也会经常使用。 缺省情况下，创建的线程都是可会合的。可会合的线程可以通过调用detach()方法变成相分

18、离的线程。但反向则不行。 UNIX实现 文件 thread.h #ifndef _THREAD_H_ #define _THREAD_H_ class Thread public: Thread(); virtual Thread(); int start (void * = NULL); void stop(); void sleep (int); void detach(); void * wait(); protected: virtual void * run(void *) = 0; private: pthread_t handle; bool started; bool deta

19、ched; void * threadFuncParam; friend void * threadFunc(void *); ; /pthread中线程函数必须是一个全局函数，为了解决这个问题 /将其声明为静态，以防止此文件之外的代码直接调用这个函数。 /此处实现采用了称为Virtual friend function idiom 的方法。 Static void * threadFunc(void *); #endif 文件thread.cpp #include #include #include “thread.h” static void * threadFunc (void * th

20、readObject) Thread * thread = (Thread *) threadObject; return thread-run(thread-threadFuncParam); Thread:Thread() started = detached = false; Thread:Thread() stop(); bool Thread:start(void * param) pthread_attr_t attributes; pthread_attr_init(&attributes); if (detached) pthread_attr_setdetachstate(&

21、attributes, PTHREAD_CREATE_DETACHED); threadFuncParam = param; if (pthread_create(&handle, &attributes, threadFunc, this) = 0) started = true; pthread_attr_destroy(&attribute); void Thread:detach() if (started & !detached) pthread_detach(handle); detached = true; void * Thread:wait() void * status =

22、 NULL; if (started & !detached) pthread_join(handle, &status); return status; void Thread:stop() if (started & !detached) pthread_cancel(handle); pthread_detach(handle); detached = true; void Thread:sleep(unsigned int milliSeconds) timeval timeout = milliSeconds/1000, millisecond%1000; select(0, NUL

23、L, NULL, NULL, &timeout); Windows实现 文件thread.h #ifndef _THREAD_SPECIFICAL_H_ #define _THREAD_SPECIFICAL_H_ #include static unsigned int _stdcall threadFunction(void *); class Thread friend unsigned int _stdcall threadFunction(void *); public: Thread(); virtual Thread(); int start(void * = NULL); voi

24、d * wait(); void stop(); void detach(); static void sleep(unsigned int); protected: virtual void * run(void *) = 0; private: HANDLE threadHandle; bool started; bool detached; void * param; unsigned int threadID; ; #endif 文件thread.cpp #include stdafx.h #include #include thread.h unsigned int _stdcall

25、 threadFunction(void * object) Thread * thread = (Thread *) object; return (unsigned int ) thread-run(thread-param); Thread:Thread() started = false; detached = false; Thread:Thread() stop(); int Thread:start(void* pra) if (!started) param = pra; if (threadHandle = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, th

26、readFunction, this, 0, &threadID) if (detached) CloseHandle(threadHandle); started = true; return started; /wait for current thread to end. void * Thread:wait() DWORD status = (DWORD) NULL; if (started & !detached) WaitForSingleObject(threadHandle, INFINITE); GetExitCodeThread(threadHandle, &status)

27、; CloseHandle(threadHandle); detached = true; return (void *)status; void Thread:detach() if (started & !detached) CloseHandle(threadHandle); detached = true; void Thread:stop() if (started & !detached) TerminateThread(threadHandle, 0); /Closing a thread handle does not terminate /the associated thr

28、ead. /To remove a thread object, you must terminate the thread, /then close all handles to the thread. /The thread object remains in the system until /the thread has terminated and all handles to it have been /closed through a call to CloseHandle CloseHandle(threadHandle); detached = true; void Thre

29、ad:sleep(unsigned int delay) :Sleep(delay); 小结 本节的主要目的是帮助入门者建立基本的线程概念，以此为基础，抽象出一个最小接口的通用线程类。在示例程序部分，初学者可以体会到并行和串行程序执行的差异。有兴趣的话，大家可以在现有线程类的基础上，做进一步的扩展和尝试。如果觉得对线程的概念需要进一步细化，大家可以进一步扩展和完善现有Thread类。想更进一步了解的话，一个建议是，可以去看看其他语言，其他平台的线程库中，线程类抽象了哪些概念。比如Java, perl等跨平台语言中是如何定义的，微软winapi到dotnet中是如何支持多线程的，其线程类是如何定

30、义的。这样有助于更好的理解线程的模型和基础概念。 另外，也鼓励大家多动手写写代码，在此基础上尝试写一些代码，也会有助于更好的理解多线程程序的特点。比如，先开始的线程不一定先结束。线程的执行可能会交替进行。把printf替换为cout可能会有新的发现，等等。 每个子线程一旦被创建，就被赋予了自己的生命。管理不好的话，一只特例独行的猪是非常让人头痛的。对于初学者而言，编写多线程程序可能会遇到很多令人手足无措的bug。往往还没到考虑效率，避免死锁等阶段就问题百出，而且很难理解和调试。这是非常正常的，请不要气馁，后续文章会尽量解释各种常见问题的原因，引导大家避免常见错误。目前能想到入门阶段常遇到的问题是：内存泄漏，系统资源泄漏。 程序执行结果混乱，但是在某些点插入sleep语句后结果又正确了。 程序crash, 但移除或添加部分无关语句后，整个程序正常运行（假相）。 多线程程序执行结果完全不合逻辑，出于预期。 本文至此，如果自己动手改改，试一些例子，对多线程程序应该多少有一些感性认识了。刚开始只要把基本概念弄懂了，后面可以一步一步搭建出很复杂的类。不过刚开始不要贪多，否则会欲速则不达，越弄越糊涂。最后，大家见仁见智吧，我在此起到抛砖引玉的作用就很开心了，呵呵。另外文本编辑器的原因，代码如果编译不过，可能需要 把标点符号从中文换成英文。