C/C++ Muti-Thread多线程基础 | 线程Thread、事件Event、队列Queue、信号量Semaphore

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前言

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  多线程（Multi-Thread），是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术。无论你是软件开发工程师（Software Engineer），还是算法工程师（Algorithm Engineer），当遇到性能优化需求时，多线程技术是不可绕开的一项。

  现代处理器是多核处理器架构，单处理器有多个独立运算核，可以并发运算，这个特性使得总任务可以被划分为多个独立的子任务同时运行，大大提高运行效率。接下来，本文将对多线程技术中的四个关键的基础概念做一个介绍，希望能对读者学习多线程编程有所帮助，它们是线程（Thread）、事件（Event）、队列（Queue）、信号量（Semaphore）。

线程 Thread

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  我们先看看Wiki对Thread的介绍：

  In computer science, a thread of execution is the smallest sequence of programmed instructions that can be managed independently by a scheduler.
  Multiple threads can exist within one process, executing concurrently and sharing resources such as memory, while different processes do not share these resources.

  在计算机科学中，执行线程是能被调度器独立管理的程序化指令中的最小序列。
  多个线程可存在与一个进程中，同时执行且共享资源（如内存资源），而不同的进程则不能共享这些资源。

  从以上介绍中，我们提炼出两个关键点：线程之间彼此独立、共享资源。这表明线程不仅可以独立并发，而且可以通信协作。也就是说，多线程不是各自为战，而是同舟共济。

  在多线程编程中，线程是最基本的概念。面对一个任务并行的多线程问题，我们首先要将总任务分为多个子任务，一个子任务就可以放入一个线程中执行，这时我们需要编写多个线程，每个线程负责独立的任务；而面对一个数据并行的多线程问题，我们只有一个任务，是将数据分为多个独立的子数据，每个数据都执行同样的任务，这时我们只需要编写一个线程，通过管理线程的输入来完成多个子数据的并行任务。所以我们把线程想象成任务即可，这个任务要完成多少工作无关紧要，只要多个任务是独立的，或者同一个任务有多个独立的输入。

创建线程

CreateThread

  在C语言中，如何创建一个线程？在Windows系统中，我们可以使用CreateThread函数：

HANDLE WINAPI CreateThread(
	_In_opt_ LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,		
	_In_ SIZE_T dwStackSize,									
	_In_ LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,				
	_In_opt_ __drv_aliasesMem LPVOID lpParameter,			
	_In_ DWORD dwCreationFlags,
	_Out_opt_ LPDWORD lpThreadId
);

  参数说明：
  lpThreadAttributes：指向SECURITY_ATTRIBUTES型态的结构的指针。在Windows 98中忽略该参数。在Windows NT中，NULL使用默认安全性，不可以被子线程继承，否则需要定义一个结构体将它的bInheritHandle成员初始化为TRUE
  dwStackSize：设置初始栈的大小，以字节为单位，如果为0，那么默认将使用与调用该函数的线程相同的栈空间大小。任何情况下，Windows根据需要动态延长堆栈的大小。
  lpStartAddress：指向线程函数的指针，形式：函数名，函数名称没有限制，但是必须以下列形式声明：

DWORD WINAPI 函数名 (LPVOID lpParam) 

  格式不正确将无法调用成功。
  lpParameter：向线程函数传递的参数，是一个指向结构的指针，不需传递参数时，为NULL。
  dwCreationFlags ：线程标志,可取值如下
  （1）CREATE_SUSPENDED(0x00000004)：创建一个挂起的线程，
  （2）0：表示创建后立即激活。
  （3）STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION(0x00010000)：dwStackSize参数指定初始的保留堆栈 的大小，否则,dwStackSize指定提交的大小。该标记值在Windows 2000/NT and Windows Me/98/95上不支持。
  lpThreadId:保存新线程的id。若不想返回线程ID,设置值为NULL。
  返回值：函数成功，返回线程句柄；函数失败返回false。

  代码示例：

#include "stdafx.h"
#include "windows.h"

//线程函数定义
DWORD WINAPI ThreadFunc(LPVOID lpParam)
{
	Sleep(1000);
	return 0;
}
int main()
{
	DWORD dwThreadId = 0;	//线程ID
	//创建线程
	HANDLE hThread = CreateThread(NULL, 0, ThreadFunc, NULL, 0, &dwThreadId);

    return 0;
}

_beginthread

  实际上，CreateThread函数并不被推荐使用，当软件需要调用CRT库时，使用CreateThread因为没有对子线程为CRT库分配堆，会导致内存错误而崩溃。

  我们可以使用另一个创建线程函数：_beginthread()：

uintptr_t _beginthread(
void( *start_address )( void * ),
unsigned stack_size,
void *arglist
);

  参数说明：
  start_address：新线程的起始地址 ，指向新线程调用的函数的起始地址，为函数名。函数的声明方式很简单：

void 函数名(LPVOID lpParam)

  stack_size：新线程的堆栈大小，一般为0
  arglist：传递给线程的参数列表，无参数时为NULL

  _beginthread要比CreateThread安全，它是对CreateThread函数的封装，并针对CreateThread在调用CRT库时的内存泄漏问题进行了处理，所以比CreateThread更加安全。_beginthrad对应的关闭线程函数为为_endthread。

  代码示例：

#include "stdafx.h"
#include "windows.h"
#include "process.h"

//线程函数定义
void ThreadFunc(void* param)
{
	Sleep(1000);
}

int main()
{
	//创建线程
	_beginthread(ThreadFunc, 0, NULL);
   
	return 0;
}

_beginthreadex

  _beginthread函数非常简单，易上手，但参数太少也有缺点，和CreateThread比起来似乎可控制性不强？别慌，我们还有另一个函数_beginthreadex：

unsigned long _beginthreadex(
    void *security,
    unsigned stack_size,  
    unsigned(_stdcall *start_address)(void *), 
    void *argilist, 
    unsigned initflag,  
    unsigned *threaddr 
);

  参数说明：
  security：安全属性， 为NULL时表示默认安全性
  stack_size：线程的堆栈大小， 一般默认为0
  start_address：所要启动的线程函数
  argilist：线程函数的参数， 是一个void*类型， 传递多个参数时用结构体
  flag：新线程的初始状态，0表示立即执行，CREATE_SUSPEND表示创建之后挂起
  threaddr：线程ID地址
  返回值：成功返回新线程句柄， 失败返回0

  可以看到，_beginthreadex就像_beginthread的扩展体，增加了三个参数，是可控制性更好一些。两个函数的不同点如下：
  （1）_beginthreadex()比_beginthread()多3个参数：intiflag，security和threadaddr。
  （2）线程函数的声明方式不同。_beginthreadex()的线程函数必须使用_stdcall修饰符，且必须返回一个unsigned int型的退出码。

unsigned __stdcall 函数名(void* param)

  （3）_beginthreadex()在创建线程失败时返回0，而_beginthread()在创建线程失败时返回-1。这一点是在检查返回结果时必须注意的。
  （4）如果是调用_beginthread创建线程，则相应地调用_endthread结束线程时，系统会自动关闭线程句柄；而调用_beginthreadx创建线程，相应地调用_endthreadx结束线程时，系统不能自动关闭线程句柄。因此调用_beginthreadx创建线程还需程序员自己关闭线程句柄，以清除线程的地址空间。

  _beginthread和_beginthreadex都包含于头文件 process.h 中。
  代码示例：

#include "stdafx.h"
#include "windows.h"
#include "process.h"

//线程函数定义
unsigned __stdcall ThreadFunc(void* param)
{
	Sleep(1000);
	return 0;
}

int main()
{
	unsigned uiThreadId = 0;
	//创建线程
	HANDLE hThread = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFunc, NULL, 0, &uiThreadId);
   
	return 0;
}

pthread_create

  pthread_create是类Unix操作系统（Unix、Linux、Mac OS X等）的创建线程的函数。包含于头文件pthread.h中。

int pthread_create(
	pthread_t *tidp,
	const pthread_attr_t *attr,
	(void*)(*start_rtn)(void*),
	void *arg
);

  参数说明：
  tidp：第一个参数为指向线程标识符的指针。
  attr：用来设置线程属性。
  start_rtn：线程运行函数的起始地址。
  arg：运行函数的参数。
  若线程创建成功，则返回0。若线程创建失败，则返回出错编号，并且*thread中的内容是未定义的。
  返回成功时，由tidp指向的内存单元被设置为新创建线程的线程ID。attr参数用于指定各种不同的线程属性。新创建的线程从start_rtn函数的地址开始运行，该函数只有一个万能指针参数arg，如果需要向start_rtn函数传递的参数不止一个，那么需要把这些参数放到一个结构中，然后把这个结构的地址作为arg的参数传入。

线程运行

  一般来说，线程创建之后，会自动运行，如使用_beginthread创建的线程，但是当设置了线程启动状态时，可以控制线程的启动时刻，使用CreateThread和_beginthreadex创建线程才能完成这个操作，将creation flag设置为CREATE_SUSPENDED，这时线程创建后将被挂起，直到调用ResumeThread函数激活线程。
  代码示例：

#include "stdafx.h"
#include "windows.h"
#include "process.h"

//线程函数定义
unsigned __stdcall ThreadFunc(void* param)
{
	Sleep(1000);
	return 0;
}

int main()
{
	unsigned uiThreadId = 0;	//线程ID
	//创建线程并挂起
	HANDLE hThread = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFunc, NULL, CREATE_SUSPENDED, &uiThreadId);
   //激活线程
	ResumeThread(hThread);

	return 0;
}

  在线程运行过程中，我们往往要等待线程运行结束再往下执行。可以使用WaitForSingleObject来执行这一工作。

DWORD WINAPI WaitForSingleObject(
__in HANDLE hHandle,
__in DWORD dwMilliseconds
);

  参数说明：
  hHandle：线程句柄
  dwMilliseconds：等待时间，单位为milliseconds（毫秒）。如果指定一个非零值，函数处于等待状态直到hHandle标记的对象被触发，或者时间到了。如果dwMilliseconds为0，对象没有被触发信号，函数不会进入一个等待状态，它总是立即返回。如果dwMilliseconds为INFINITE，对象被触发信号后，函数才会返回。
  代码示例：

#include "stdafx.h"
#include "windows.h"
#include "process.h"

//线程函数定义
unsigned __stdcall ThreadFunc(void* param)
{
	Sleep(1000);
	return 0;
}

int main()
{
	unsigned uiThreadId = 0;	//线程ID
	//创建线程并挂起
	HANDLE hThread = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFunc, NULL, CREATE_SUSPENDED, &uiThreadId);
   //激活线程
	ResumeThread(hThread);

	WaitForSingleObject(hThread, INFINITE);
	return 0;
}

结束线程

  每个创建线程函数，都会有着对应的结束线程函数，CreateThread对应ExitThread，_beginthread对应_endthread，_beginthreadex对应_endthreadex，可以在必须强制结束线程的时候调用它们，但是最好避免这样做，因为中途强制结束，会导致不可控制的资源泄漏。一般而言，等待线程函数自行return是最好的方式，这时系统会自动调用线程终止函数，并释放所有资源。

事件 Event

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[待续]

队列 Queue

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[待续]

信号量 Semaphore

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[待续]