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

C++

 

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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： 

C++

 

1	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。

C++

 

1	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

C++

 

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#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：

C++

 

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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

C++

 

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#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：

 

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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：

C++

 

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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。

C++

 

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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。

C++

 

1	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 

C++

 

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#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： 

C++

 

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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

 C++

 

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#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 ：

C++

 

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#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：

C++

 

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//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：

 

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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.