C++ - 多线程的实现

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，

加入当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;
}