C++ - 多线程的实现

简介:   支持多线程可谓是C++语言最大的变化之一. 此前,C++只能利用操作系统的功能(Unix族系统使用pthreads库),或是例如OpenMP和MPI这些代码库,来实现多核计算的目标. C++本身并没有提供任何多线程机制,但是在windows下,我们可以调用SDK win32 api来...

 

 

支持多线程可谓是C++语言最大的变化之一.

此前,C++只能利用操作系统的功能(Unix族系统使用pthreads库),或是例如OpenMP和MPI这些代码库,来实现多核计算的目标.

C++本身并没有提供任何多线程机制,但是在windows下,我们可以调用SDK win32 api来编写多线程的程序,下面是一些简单的例子:

创建线程

HANDLE CreateThread(
      LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes , // SD
      SIZE_T dwStackSize ,                       // initial stack size
      LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress ,     // thread function
      LPVOID lpParameter ,                       // thread argument
      DWORD dwCreationFlags ,                     // creation option
      LPDWORD lpThreadId                         // thread identifier
);

 在这里我们只用到了第三个和第四个参数,第三个参数传递了一个函数的地址,也是我们要指定的新的线程。第四个参数是传给新线程的参数指针

  example1:

#include <iostream>
#include <windows.h>
using namespace std;

DWORD WINAPI Fun( LPVOID lpParamter)
{
      while( 1) { cout << "Fun display!" << endl; }
}

int main()
{
      HANDLE hThread = CreateThread( NULL , 0 , Fun , NULL , 0 , NULL);
      CloseHandle( hThread);
      while( 1) { cout << "main display!" << endl;   }
      return 0;
}

我们可以看到主线程(main函数)和我们自己的线程(Fun函数)是随机地交替执行的.

但是两个线程输出太快,使我们很难看清楚,我们可以使用函数来暂停线程的执行,dwMilliseconds表示千分之一秒,所以Sleep(1000);表示暂停1秒

 

void Sleep(
      DWORD dwMilliseconds   // sleep time
);

  example2:

#include <iostream>
#include <windows.h>
using namespace std;
DWORD WINAPI Fun( LPVOID lpParamter)
{
      while( 1) { cout << "Fun display!" << endl; Sleep( 1000 );}
}

int main()
{
      HANDLE hThread = CreateThread( NULL , 0 , Fun , NULL , 0 , NULL);
      CloseHandle( hThread);
      while( 1) { cout << "main display!" << endl;   Sleep( 2000 );}
      return 0;
}

  执行上述代码,这次我们可以清楚地看到在屏幕上交错地输出Fun display!和main display!

我们发现这两个函数确实是并发运行的,细心的读者可能会发现我们的程序是每当Fun函数和main函数输出内容后就会输出换行,

但是我们看到的确是有的时候程序输出换行了,有的时候确没有输出换行,甚至有的时候是输出两个换行.

这是怎么回事?下面我们把程序改一下看看:

  example3:

#include <iostream>
#include <windows.h>
using namespace std;
DWORD WINAPI Fun( LPVOID lpParamter)
{
      while( 1)
            { cout << "Fun display! \n "; Sleep( 1000 );}
}

int main()
{
      HANDLE hThread = CreateThread( NULL , 0 , Fun , NULL , 0 , NULL);
      CloseHandle( hThread);
      while( 1) { cout << "main display! \n ";   Sleep( 2000 );}
      return 0;
}

我们再次运行这个程序,我们发现这时候正如我们预期的,正确地输出了我们想要输出的内容并且格式也是正确的.

下面我就来讲一下此前我们的程序为什么没有正确的运行.

多线程的程序时并发地运行的,多个线程之间如果公用了一些资源的话,我们并不能保证这些资源都能正确地被利用,因为这个时候资源并不是独占的,举个例子吧:

  example4:

  加入有一个资源 int a = 3

  有一个线程函数 selfAdd() 该函数是使a = a+a

  又有一个线程函数 selfSub() 该函数是使a = a-a

 

  我们假设上面两个线程正在并发欲行,如果selfAdd在执行的时候,我们的目的是想让a编程6,但此时selfSub得到了运行的机会,所以a变成了0,

等到selfAdd的到执行的机会后,a = a+a ,但是此时a确是0,并没有如我们所预期的那样的到6,

我们回到前面example2,在这里,我们可以把屏幕看成是一个资源,这个资源被两个线程所共用,

入当Fun函数输出了Fun display!后,将要输出endl(也就是清空缓冲区并换行,在这里我们可以不用理解什么事缓冲区),

但此时main函数确得到了运行的机会,此时Fun函数还没有来得及输出换行就把CPU让给了main函数,

而这时main函数就直接在Fun display!后输出main display!,至于为什么有的时候程序会连续输出两个换行,

读者可以采用同样的分析方法来分析,在这里我就不多讲了,留给读者自己思考了.

那么为什么我们把example2改成example3就可以正确的运行呢?原因在于,多个线程虽然是并发运行的,

但是有一些操作是必须一气呵成的,不允许打断的,所以我们看到example2和example3的运行结果是不一样的.

 

  那么,是不是example2的代码我们就不可以让它正确的运行呢?

答案当然是否,下面我就来讲一下怎样才能让example2的代码可以正确运行.

这涉及到多线程的同步问题。对于一个资源被多个线程共用会导致程序的混乱,我们的解决方法是只允许一个线程拥有对共享资源的独占,这样就能够解决上面的问题了.

HANDLE CreateMutex(
      LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes ,   // SD
      BOOL bInitialOwner ,                       // initial owner
      LPCTSTR lpName                             // object name
);

该函数用于创造一个独占资源,第一个参数我们没有使用,可以设为NULL,第二个参数指定该资源初始是否归属创建它的进程,第三个参数指定资源的名称.  

HANDLE hMutex = CreateMutex( NULL , TRUE , "screen");

这条语句创造了一个名为screen并且归属于创建它的进程的资源

bool ReleaseMutex(
      HANDLE hMutex   // handle to mutex
);

该函数用于释放一个独占资源,进程一旦释放该资源,该资源就不再属于它了,如果还要用到,需要重新申请得到该资源。申请资源的函数如下

DWORD WaitForSingleObject(
      HANDLE hHandle ,         // handle to object
      DWORD dwMilliseconds   // time-out interval
);

第一个参数指定所申请的资源的句柄,第二个参数一般指定为INFINITE,表示如果没有申请到资源就一直等待该资源,

如果指定为0,表示一旦得不到资源就返回,也可以具体地指定等待多久才返回,单位是千分之一秒。

现在我们来解决example2的问题,我们可以把example2做一些修改:

#include <iostream>
#include <windows.h>
using namespace std;
HANDLE hMutex;
DWORD WINAPI Fun( LPVOID lpParamter)
{
      while( 1)
      {
            WaitForSingleObject( hMutex , INFINITE);
            cout << "Fun display!" << endl;
            Sleep( 1000);
            ReleaseMutex( hMutex);
      }
}

int main()
{
      HANDLE hThread = CreateThread( NULL , 0 , Fun , NULL , 0 , NULL);
      hMutex = CreateMutex( NULL , FALSE , "screen");
      CloseHandle( hThread);
      while( 1)
      {
            WaitForSingleObject( hMutex , INFINITE);
            cout << "main display!" << endl;
            Sleep( 2000);
            ReleaseMutex( hMutex);
      }
      return 0;
}

这样即可解决问题.

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