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C++多線程記錄1

編輯：關於C++

本文主要記錄C++中多線程程序的開發中調用windows API的CreateThread的使用方法。

創建線程

在Windows平台，Windows API提供了對多線程的支持。前面進程和線程的概念中我們提到，一個程序至少有一個線程，這個線程稱為主線程(main thread)，如果我們不顯示地創建線程，那我們產的程序就是只有主線程的間線程程序。
下面，我們看看Windows中線程相關的操作和方法：

CreateThread與CloseHandle

CreateThread用於創建一個線程，其函數原型如下：

HANDLE WINAPI CreateThread(
    LPSECURITY_ATTRIBUTES   lpThreadAttributes, //線程安全相關的屬性，常置為NULL
    SIZE_T                  dwStackSize,        //新線程的初始化棧在大小，可設置為0
    LPTHREAD_START_ROUTINE  lpStartAddress,     //被線程執行的回調函數，也稱為線程函數
    LPVOID                  lpParameter,        //傳入線程函數的參數，不需傳遞參數時為NULL
    DWORD                   dwCreationFlags,    //控制線程創建的標志
    LPDWORD                 lpThreadId          //傳出參數，用於獲得線程ID，如果為NULL則不返回線程ID
);

**說明：**lpThreadAttributes：指向SECURITY_ATTRIBUTES結構的指針，決定返回的句柄是否可被子進程繼承，如果為NULL則表示返回的句柄不能被子進程繼承。

dwStackSize ：線程棧的初始化大小，字節單位。系統分配這個值對

lpStartAddress：指向一個函數指針，該函數將被線程調用執行。因此該函數也被稱為線程函數(ThreadProc)，是線程執行的起始地址，線程函數是一個回調函數，由操作系統在線程中調用。線程函數的原型如下：

DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter);    //lpParameter是傳入的參數，是一個空指針

lpParameter：傳入線程函數(ThreadProc)的參數，不需傳遞參數時為NULL

dwCreationFlags：控制線程創建的標志，有三個類型，0：線程創建後立即執行線程；CREATE_SUSPENDED：線程創建後進入就緒狀態，直到線程被喚醒時才調用；STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION：dwStackSize 參數指定線程初始化棧的大小，如果STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION標志未指定，dwStackSize將會設為系統預留的值。

返回值：如果線程創建成功，則返回這個新線程的句柄，否則返回NULL。如果線程創建失敗，可通過GetLastError函數獲得錯誤信息。

BOOL WINAPI CloseHandle(HANDLE hObject);        //關閉一個被打開的對象句柄

可用這個函數關閉創建的線程句柄，如果函數執行成功則返回true(非0),如果失敗則返回false(0)，如果執行失敗可調用GetLastError.函數獲得錯誤信息。

【Demo1】：創建一個最簡單的線程

#include "stdafx.h"
#include 
#include 

using namespace std;

//線程函數
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter)
{
    for (int i = 0; i < 5; ++ i)
    {
        cout << "子線程:i = " << i << endl;
        Sleep(100);
    }
    return 0L;
}

int main()
{
    //創建一個線程
    HANDLE thread = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, NULL, 0, NULL);
    //關閉線程
    CloseHandle(thread);

    //主線程的執行路徑
    for (int i = 0; i < 5; ++ i)
    {
        cout << "主線程:i = " << i << endl;
        Sleep(100);
    }

    return 0;
}

結果如下：
主線程:i = 0
子線程:i = 0
主線程:i = 1
子線程:i = 1
子線程:i = 2
主線程:i = 2
子線程:i = 3
主線程:i = 3
子線程:i = 4
主線程:i = 4

【Demo2】：在線程函數中傳入參數

#include "stdafx.h"
#include 
#include 

using namespace std;

#define NAME_LINE   40

//定義線程函數傳入參數的結構體
typedef struct __THREAD_DATA
{
    int nMaxNum;
    char strThreadName[NAME_LINE];

    __THREAD_DATA() : nMaxNum(0)
    {
        memset(strThreadName, 0, NAME_LINE * sizeof(char));
    }
}THREAD_DATA;



//線程函數
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()
{
    //初始化線程數據
    THREAD_DATA threadData1, threadData2;
    threadData1.nMaxNum = 5;
    strcpy(threadData1.strThreadName, "線程1");
    threadData2.nMaxNum = 10;
    strcpy(threadData2.strThreadName, "線程2");

//創建第一個子線程
    HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, &threadData1, 0, NULL);
    //創建第二個子線程
    HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, &threadData2, 0, NULL);
    //關閉線程
    CloseHandle(hThread1);
    CloseHandle(hThread2);

    //主線程的執行路徑
    for (int i = 0; i < 5; ++ i)
    {
        cout << "主線程 === " << i << endl;
        Sleep(100);
    }

    system("pause");
    return 0;
}

結果：

主線程 === 線程1 — 0
0
線程2 — 0
線程1 — 1
主線程 === 1
線程2 — 1
主線程 === 2
線程1 — 2
線程2 — 2
主線程 === 3
線程2 — 3
線程1 — 3
主線程 === 4
線程2 — 4
線程1 — 4
線程2 — 5
請按任意鍵繼續… 線程2 — 6
線程2 — 7
線程2 — 8
線程2 — 9

CreateMutex、WaitForSingleObject、ReleaseMutex

從【Demo2】中可以看出，雖然創建的子線程都正常執行起來了，但輸出的結果並不是我們預期的效果。我們預期的效果是每輸出一條語句後自動換行，但結果卻並非都是這樣。這是因為在線程執行時沒有做同步處理，比如第一行的輸出，主線程輸出“主線程 ===”後時間片已用完，這時輪到子線程1輸出，在子線程輸出“線程1 —”後時間片也用完了，這時又輪到主線程執行輸出“0”，之後又輪到子線程1輸出“0”。於是就出現了“主線程 === 線程1 — 0 0”的結果。

主線程：cout << “主線程 === ” << i << endl;
子線程：cout << pThreadData->strThreadName << ” — ” << i << endl;

為避免出現這種情況，我們對線程做一些簡單的同步處理，這裡我們用互斥量(Mutex)，關於互斥量(Mutex)的概念，請看《編程思想之多線程與多進程(2)——線程優先級與線程安全》一文；更多C++線程同步的處理，請看下一節。

在使用互斥量進行線程同步時會用到以下幾個函數：

HANDLE WINAPI CreateMutex(
    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,        //線程安全相關的屬性，常置為NULL
    BOOL                  bInitialOwner,            //創建Mutex時的當前線程是否擁有Mutex的所有權
    LPCTSTR               lpName                    //Mutex的名稱
);

**說明：**lpMutexAttributes也是表示安全的結構，與CreateThread中的lpThreadAttributes功能相同，表示決定返回的句柄是否可被子進程繼承，如果為NULL則表示返回的句柄不能被子進程繼承。bInitialOwner表示創建Mutex時的當前線程是否擁有Mutex的所有權，若為TRUE則指定為當前的創建線程為Mutex對象的所有者，其它線程訪問需要先ReleaseMutex。lpName為Mutex的名稱。

DWORD WINAPI WaitForSingleObject(
    HANDLE hHandle,                             //要獲取的鎖的句柄
    DWORD  dwMilliseconds                           //超時間隔
);

**說明：**WaitForSingleObject的作用是等待一個指定的對象(如Mutex對象)，直到該對象處於非占用的狀態(如Mutex對象被釋放)或超出設定的時間間隔。除此之外，還有一個與它類似的函數WaitForMultipleObjects，它的作用是等待一個或所有指定的對象，直到所有的對象處於非占用的狀態，或超出設定的時間間隔。
hHandle：要等待的指定對象的句柄。dwMilliseconds：超時的間隔，以毫秒為單位；如果dwMilliseconds為非0，則等待直到dwMilliseconds時間間隔用完或對象變為非占用的狀態，如果dwMilliseconds 為INFINITE則表示無限等待，直到等待的對象處於非占用的狀態。

BOOL WINAPI ReleaseMutex(HANDLE hMutex);

說明：釋放所擁有的互斥量鎖對象，hMutex為釋放的互斥量的句柄。

【Demo3】：線程同步

#include "stdafx.h"
#include 
#include 

#define NAME_LINE   40

//定義線程函數傳入參數的結構體
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

//線程函數
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter)
{
    THREAD_DATA* pThreadData = (THREAD_DATA*)lpParameter;

    for (int i = 0; i < pThreadData->nMaxNum; ++ i)
    {
        //請求獲得一個互斥量鎖
        WaitForSingleObject(g_hMutex, INFINITE);
        cout << pThreadData->strThreadName << " --- " << i << endl;
        Sleep(100);
        //釋放互斥量鎖
        ReleaseMutex(g_hMutex);
    }
    return 0L;
}

int main()
{
    //創建一個互斥量
    g_hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);

    //初始化線程數據
    THREAD_DATA threadData1, threadData2;
    threadData1.nMaxNum = 5;
    strcpy(threadData1.strThreadName, "線程1");
    threadData2.nMaxNum = 10;
    strcpy(threadData2.strThreadName, "線程2");


    //創建第一個子線程
    HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, &threadData1, 0, NULL);
    //創建第二個子線程
    HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, &threadData2, 0, NULL);
    //關閉線程
    CloseHandle(hThread1);
    CloseHandle(hThread2);

    //主線程的執行路徑
    for (int i = 0; i < 5; ++ i)
    {
        //請求獲得一個互斥量鎖
        WaitForSingleObject(g_hMutex, INFINITE);
        cout << "主線程 === " << i << endl;
        Sleep(100);
        //釋放互斥量鎖
        ReleaseMutex(g_hMutex);
    }

    system("pause");
    return 0;
}

結果：

主線程 === 0
線程1 — 0
線程2 — 0
主線程 === 1
線程1 — 1
線程2 — 1
主線程 === 2
線程1 — 2
線程2 — 2
主線程 === 3
線程1 — 3
線程2 — 3
主線程 === 4
線程1 — 4
請按任意鍵繼續… 線程2 — 4
線程2 — 5
線程2 — 6
線程2 — 7
線程2 — 8
線程2 — 9

為進一步理解線程同步的重要性和互斥量的使用方法，我們再來看一個例子。

買火車票是大家春節回家最為關注的事情，我們就簡單模擬一下火車票的售票系統(為使程序簡單，我們就抽出最簡單的模型進行模擬)：有500張從北京到贛州的火車票，在8個窗口同時出售，保證系統的穩定性和數據的原子性。

【Demo4】：模擬火車售票系統

SaleTickets.h :

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

using namespace std;

#define NAME_LINE   40

//定義線程函數傳入參數的結構體
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;


 //基本類型數據轉換成字符串
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 ：

#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)
    {
        //請求獲得一個互斥量鎖
        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 << "張票." << endl;
            } else {
                cout << "出票失敗！該票已售完。" << endl;
            }
        }
        Sleep(10);
        //釋放互斥量鎖
        ReleaseMutex(g_hMutex);
    }

    return 0L;
}

測試程序：

//售票系統
void Test2()
{
    //創建一個互斥量
    g_hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);

    //初始化火車票
    TICKET ticket;
    ticket.nCount = 100;
    strcpy(ticket.strTicketName, "北京-->贛州");

    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());

        //創建線程
        hThread[i] = CreateThread(NULL, NULL, SaleTicket, &threadSale[i], 0, NULL);

        //請求獲得一個互斥量鎖
        WaitForSingleObject(g_hMutex, INFINITE);
        cout << threadSale[i].strThreadName << "開始出售 " << threadSale[i].pTicket->strTicketName << " 的票..." << endl;
        //釋放互斥量鎖
        ReleaseMutex(g_hMutex);

        //關閉線程
        CloseHandle(hThread[i]);
    }

    system("pause");
}

結果：

窗口0開始出售北京–>贛州的票…
窗口0出售第100的票,出票成功!剩余99張票.
窗口1開始出售北京–>贛州的票…
窗口1出售第99的票,出票成功!剩余98張票.
窗口0出售第98的票,出票成功!剩余97張票.
窗口2開始出售北京–>贛州的票…
窗口2出售第97的票,出票成功!剩余96張票.
窗口1出售第96的票,出票成功!剩余95張票.
窗口0出售第95的票,出票成功!剩余94張票.
窗口3開始出售北京–>贛州的票…
窗口3出售第94的票,出票成功!剩余93張票.
窗口2出售第93的票,出票成功!剩余92張票.
窗口1出售第92的票,出票成功!剩余91張票.
窗口0出售第91的票,出票成功!剩余90張票.
窗口4開始出售北京–>贛州的票…
窗口4出售第90的票,出票成功!剩余89張票.
窗口3出售第89的票,出票成功!剩余88張票.
窗口2出售第88的票,出票成功!剩余87張票.
窗口1出售第87的票,出票成功!剩余86張票.
窗口0出售第86的票,出票成功!剩余85張票.
窗口5開始出售北京–>贛州的票…
窗口5出售第85的票,出票成功!剩余84張票.
窗口4出售第84的票,出票成功!剩余83張票.
窗口3出售第83的票,出票成功!剩余82張票.
窗口2出售第82的票,出票成功!剩余81張票.