C++ 多執行緒

多執行緒是多工處理的一種特殊形式，多工處理允許讓電腦同時執行兩個或兩個以上的程式。一般情況下，兩種類型的多工處理：基於進程和基於執行緒。

基於進程的多工處理是程式的並發執行。
基於執行緒的多工處理是同一程式的片段的並發執行。

多執行緒程式包含可以同時執行的兩個或多個部分。這樣的程式中的每個部分稱為一個線程，每個線程都定義了一個單獨的執行路徑。

C++ 不包含多執行緒應用程式的任何內建支援。相反，它完全依賴作業系統來提供此功能。

本教學假設您使用的是 Linux 作業系統，我們要使用 POSIX 編寫多執行緒 C++ 程式。 POSIX Threads 或 Pthreads 提供的 API 可在多種類 Unix POSIX 系統上可用，例如 FreeBSD、NetBSD、GNU/Linux、Mac OS X 和 Solaris。

建立線程

下面的程序，我們可以用它來建立一個POSIX 線程：

#include <pthread.h>
pthread_create (thread, attr, start_routine, arg)

在這裡，pthread_create 建立一個新的線程，並讓它可執行。以下是關於參數的說明：

參數	描述
thread	#指向線程標識符指針。
attr	一個不透明的屬性對象，可以用來設定執行緒屬性。您可以指定線程屬性對象，也可以使用預設值 NULL。
start_routine	執行緒運行函數起始位址，一旦執行緒被建立就會執行。
arg	運行函數的參數。它必須透過把引用作為指標強制轉換為 void 類型進行傳遞。如果沒有傳遞參數，則使用 NULL。

建立執行緒成功時，函數傳回 0，若傳回值不為 0 則表示建立執行緒失敗。

終止執行緒

使用下面的程序，我們可以用它來終止一個POSIX 執行緒：

#include <pthread.h>
pthread_exit (status)

在這裡，pthread_exit 用於明確地退出一個執行緒。通常情況下，pthread_exit() 函數是在執行緒完成工作後無需繼續存在時被呼叫。

如果 main() 是在它所建立的執行緒之前結束，並且透過 pthread_exit() 退出，那麼其他執行緒將會繼續執行。否則，它們將在 main() 結束時自動終止。

實例

以下簡單的實例程式碼使用pthread_create() 函數建立了5 個線程，每個線程輸出"Hello php!":

#include <iostream>
// 必须的头文件是
#include <pthread.h>

using namespace std;

#define NUM_THREADS 5

// 线程的运行函数
void* say_hello(void* args)
{
    cout << "Hello php！" << endl;
}

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 函式庫編譯下面的程式：

$ g++ test.cpp -lpthread -o test.o

現在，執行程序，將產生下列結果：

$ ./test.o
Hello php！
Hello php！
Hello php！
Hello php！
Hello php！

以下簡單的實例程式碼使用pthread_create() 函數建立了5 個線程，並接收傳入的參數。每個執行緒列印一個 "Hello php!" 訊息，並輸出接收的參數，然後呼叫 pthread_exit() 終止執行緒。

//文件名：test.cpp

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>

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 php! 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);
}

現在編譯並執行程序，將產生下列結果：

$ g++ test.cpp -lpthread -o test.o
$ ./test.o
main() : 创建线程, 0
main() : 创建线程, 1
main() : 创建线程, 2
main() : 创建线程, 3
main() : 创建线程, 4
Hello php! 线程 ID, 4
Hello php! 线程 ID, 3
Hello php! 线程 ID, 2
Hello php! 线程 ID, 1
Hello php! 线程 ID, 0

向執行緒傳遞參數

這個實例示範如何透過結構傳遞多個參數。您可以在執行緒回呼中傳遞任意的資料類型，因為它指向void，如下面的實例所示：

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>

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 = "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);
}

當上面的程式碼被編譯和執行時，它會產生下列結果：

$ g++ -Wno-write-strings test.cpp -lpthread -o test.o
$ ./test.o
main() : creating thread, 0
main() : creating thread, 1
main() : creating thread, 2
main() : creating thread, 3
main() : creating thread, 4
Thread ID : 3 Message : This is message
Thread ID : 2 Message : This is message
Thread ID : 0 Message : This is message
Thread ID : 1 Message : This is message
Thread ID : 4 Message : This is message

連接和分離線程

我們可以使用以下兩個函數來連接或分離線程：

pthread_join (threadid, status) 
pthread_detach (threadid)

pthread_join() 子程序阻礙呼叫程序，直到指定的threadid 線程終止為止。當建立一個執行緒時，它的某個屬性會定義它是否是可連接的（joinable）或可分離的（detached）。只有在創建時定義為可連接的線程才可以連接。如果線程創建時被定義為可分離的，則它永遠不能連接。

這個實例示範如何使用 pthread_join() 函數來等待執行緒的完成。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

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);
}