使用C++11编写Linux多线程程序

2014-12-16 11:23| 发布者: joejoe0332| 查看: 4444| 评论: 0|原作者: 朱广旭|来自: IBM DeveloperWorks

摘要: 多线程可以让我们的应用程序拥有更加出色的性能，同时，如果没有用好，多线程又是比较容易出错的且难以查找错误所在，甚至可以让人们觉得自己陷进了泥潭，希望本文能够帮助您更好地使用 C++11 来进行 Linux 下的多线 ...

清单 5.例子 thread_kill.cc

static void on_signal_term(int sig){
 cout << "on SIGTERM:" << this_thread::get_id() << endl;
 pthread_exit(NULL); 
}
void threadPosixKill(void){
 signal(SIGTERM, on_signal_term);
 thread* t = new thread( [](){
 while(true){
 ++counter;
 }
 });
 pthread_t tid = t->native_handle();
 cout << "tid=" << tid << endl;
 // 确保子线程已经在运行。
 this_thread::sleep_for( chrono::seconds(1) );
 pthread_kill(tid, SIGTERM);
 t->join();
 delete t;
 cout << "thread destroyed." << endl;
}

　　上述例子还可以用来给某个线程发送其它信号，具体的 pthread_exit 函数调用的约定依赖于具体的操作系统的实现，所以，这个方法是依赖于具体的操作系统的，而且，因为在 C++11 里面没有这方面的具体约定，用这种方式也是依赖于 C++编译器的具体实现的。

线程类 std::thread 的其它方法和特点

　　thread 类是一个特殊的类，它不能被拷贝，只能被转移或者互换，这是符合线程的语义的，不要忘记这里所说的线程是直接被操作系统调度的。线程的转移使用 move 函数，示例如下：

清单 6.例子 thread_move.cc

void threadMove(void){
 int a = 1;
 thread t( [](int* pa){
 for(;;){
 *pa = (*pa * 33) % 0x7fffffff;
 if ( ( (*pa) >> 30) & 1) break;
 }
 }, &a);
 thread t2 = move(t);   // 改为 t2 = t 将不能编译。
 t2.join();
 cout << "a=" << a << endl;
}

　　在这个例子中，如果将 t2.join() 改为 t.join() 将会导致整个进程被结束，因为忘记了调用 t2 也就是被转移的线程的 join() 方法，从而导致整个进程被结束，而 t 则因为已经被转移，其 id 已被置空。

　　线程实例互换使用 swap 函数，示例如下：

　　清单 7.例子 thread_swap.cc

void threadSwap(void){
 int a = 1;
 thread t( [](int* pa){
 for(;;){
 *pa = (*pa * 33) % 0x7fffffff;
 if ( ( (*pa) >> 30) & 1) break;
 }
 }, &a);
 thread t2;
 cout << "before swap: t=" << t.get_id() 
 << ", t2=" << t2.get_id() << endl;
 swap(t, t2);
 cout << "after swap : t=" << t.get_id() 
 << ", t2=" << t2.get_id() << endl;
 t2.join();
 cout << "a=" << a << endl;
}

　　互换和转移很类似，但是互换仅仅进行实例（以 id 作标识）的互换，而转移则在进行实例标识的互换之前，还进行了转移目的实例（如下例的t2）的清理，如果 t2 是可聚合的（joinable() 方法返回 true），则调用 std::terminate()，这会导致整个进程退出，比如下面这个例子：

清单 8.例子 thread_move_term.cc

void threadMoveTerm(void){
 int a = 1;
 thread t( [](int* pa){
 for(;;){
 *pa = (*pa * 33) % 0x7fffffff;
 if ( ( (*pa) >> 30) & 1) break;
 }
 }, &a);
 thread t2( [](){
 int i = 0;
 for(;;)i++;
 } );
 t2 = move(t);  // 将会导致 std::terminate()
 cout << "should not reach here" << endl;
 t2.join();
}

　　所以，在进行线程实例转移的时候，要注意判断目的实例的 id 是否为空值（即 id()）。

　　如果我们继承了 thread 类，则还需要禁止拷贝构造函数、拷贝赋值函数以及赋值操作符重载函数等，另外，thread 类的析构函数并不是虚析构函数。示例如下：

清单 9.例子 thread_inherit.cc

class MyThread : public thread{
public:
 MyThread() noexcept : thread(){};
 template<typename Callable, typename... Args>
 explicit
 MyThread(Callable&& func, Args&&... args) : 
 thread( std::forward<Callable>(func), 
 std::forward<Args>(args)...){
 }
 ~MyThread() { thread::~thread(); }
 // disable copy constructors
 MyThread( MyThread& ) = delete;
 MyThread( const MyThread& ) = delete;
 MyThread& operator=(const MyThread&) = delete;
};

　　因为 thread 类的析构函数不是虚析构函数，在上例中，需要避免出现下面这种情况：

MyThread* tc = new MyThread(…);

…

thread* tp = tc;

…

delete tp;

　　这种情况会导致 MyThread 的析构函数没有被调用。

线程的调度

　　我们可以调用 this_thread::yield() 将当前调用者线程切换到重新等待调度，但是不能对非调用者线程进行调度切换，也不能让非调用者线程休眠（这是操作系统调度器干的活）。

清单 10.例子 thread_yield.cc

void threadYield(void){
 unsigned int procs = thread::hardware_concurrency(), // 获取物理线程数目
 i = 0;
 thread* ta = new thread( [](){
 struct timeval t1, t2;
 gettimeofday(&t1, NULL);
 for(int i = 0, m = 13; i < COUNT; i++, m *= 17){
 this_thread::yield();
 }
 gettimeofday(&t2, NULL);
 print_time(t1, t2, " with yield");
 } );
 thread** tb = new thread*[ procs ];
 for( i = 0; i < procs; i++){
 tb[i] = new thread( [](){
 struct timeval t1, t2;
 gettimeofday(&t1, NULL);
 for(int i = 0, m = 13; i < COUNT; i++, m *= 17){
 do_nothing();
 }
 gettimeofday(&t2, NULL);
 print_time(t1, t2, "without yield");
 });
 }
 ta->join();
 delete ta;
 for( i = 0; i < procs; i++){
 tb[i]->join();
 delete tb[i];
 };
 delete tb;
}

ta 线程因为需要经常切换去重新等待调度，它运行的时间要比 tb 要多，比如在作者的机器上运行得到如下结果：

$time ./a.out
without yield elapse 0.050199s
without yield elapse 0.051042s
without yield elapse 0.05139s
without yield elapse 0.048782s
 with yield elapse 1.63366s
real    0m1.643s
user    0m1.175s
sys 0m0.611s

　　ta 线程即使扣除系统调用运行时间 0.611s 之后，它的运行时间也远大于没有进行切换的线程。

　　C++11 没有提供调整线程的调度策略或者优先级的能力，如果需要，只能通过调用相关的 pthread 函数来进行，需要的时候，可以通过调用 thread 类实例的 native_handle() 方法或者操作系统 API pthread_self() 来获得 pthread 线程 id，作为 pthread 函数的参数。

线程间的数据交互和数据争用 (Data Racing)

　　同一个进程内的多个线程之间多是免不了要有数据互相来往的，队列和共享数据是实现多个线程之间的数据交互的常用方式，封装好的队列使用起来相对来说不容易出错一些，而共享数据则是最基本的也是较容易出错的，因为它会产生数据争用的情况，即有超过一个线程试图同时抢占某个资源，比如对某块内存进行读写等，如下例所示：

清单 11.例子 thread_data_race.cc

static void
inc(int *p ){
 for(int i = 0; i < COUNT; i++){
 (*p)++;
 }
}
void threadDataRacing(void){
 int a = 0;
 thread ta( inc, &a);
 thread tb( inc, &a);
 ta.join();
 tb.join();
 cout << "a=" << a << endl;
}

　　这是简化了的极端情况，我们可以一眼看出来这是两个线程在同时对&a 这个内存地址进行写操作，但是在实际工作中，在代码的海洋中发现它并不一定容易。从表面看，两个线程执行完之后，最后的 a 值应该是 COUNT * 2，但是实际上并非如此，因为简单如 (*p)++这样的操作并不是一个原子动作，要解决这个问题，对于简单的基本类型数据如字符、整型、指针等，C++提供了原子模版类 atomic，而对于复杂的对象，则提供了最常用的锁机制，比如互斥类 mutex，门锁 lock_guard，唯一锁 unique_lock，条件变量 condition_variable 等。

　　现在我们使用原子模版类 atomic 改造上述例子得到预期结果：

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