標(biāo)題: C++ Boost Thread 編程指南 [打印本頁]
作者: 51黑tt    時(shí)間: 2016-3-6 02:11
標(biāo)題: C++ Boost Thread 編程指南
0 前言 標(biāo)準(zhǔn)C++線程即將到來。CUJ預(yù)言它將衍生自Boost線程庫，現(xiàn)在就由Bill帶領(lǐng)我們探索一下Boost線程庫。
就在幾年前，用多線程執(zhí)行程序還是一件非比尋常的事。然而今天互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)程序普遍使用多線程來提高與多客戶鏈接時(shí)的效率；為了達(dá)到最大的吞吐量，事務(wù)服務(wù)器在單獨(dú)的線程上運(yùn)行服務(wù)程序；GUI應(yīng)用程序?qū)⒛切┵M(fèi)時(shí)，復(fù)雜的處理以線程的形式單獨(dú)運(yùn)行，以此來保證用戶界面能夠及時(shí)響應(yīng)用戶的操作。這樣使用多線程的例子還有很多。

但是C++標(biāo)準(zhǔn)并沒有涉及到多線程，這讓程序員們開始懷疑是否可能寫出多線程的C++程序。盡管不可能寫出符合標(biāo)準(zhǔn)的多線程程序，但是程序員們還是會(huì)使用支持多線程的操作系統(tǒng)提供的多線程庫來寫出多線程C++程序。但是這樣做至少有兩個(gè)問題：這些庫大部分都是用C語言完成的，如果在C++程序中要使用這些庫就必須十分小心；還有，每一個(gè)操作系統(tǒng)都有自己的一套支持多線程的類庫。因此，這樣寫出來得代碼是沒有標(biāo)準(zhǔn)可循的，也不是到處都適用的（non-portable)。Boost線程庫就是為了解決所有這些問題而設(shè)計(jì)的。
Boost是由C++標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)類庫工作組成員發(fā)起，致力于為C++開發(fā)新的類庫的組織�，F(xiàn)在它已經(jīng)有近2000名成員。許多庫都可以在Boost源碼的發(fā)布版本中找到。為了使這些類庫是線程安全的（thread-safe)，Boost線程庫被創(chuàng)建了。
許多C++專家都投身于Boost線程庫的開發(fā)中。所有接口的設(shè)計(jì)都是從0開始的，并不是C線程API的簡單封裝。許多C++特性（比如構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)，函數(shù)對象（function object)和模板）都被使用在其中以使接口更加靈活。現(xiàn)在的版本可以在POSIX,Win32和Macintosh Carbon平臺(tái)下工作。
1 創(chuàng)建線程 就像std::fstream類就代表一個(gè)文件一樣， boost::thread類就代表一個(gè)可執(zhí)行的線程。缺省構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)代表當(dāng)前執(zhí)行線程的實(shí)例。一個(gè)重載的構(gòu)造函數(shù)以一個(gè)不需任何參數(shù)的函數(shù)對象作為參數(shù)，并且沒有返回值。這個(gè)構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的可執(zhí)行線程，它調(diào)用了那個(gè)函數(shù)對象。

起先，大家認(rèn)為傳統(tǒng)C創(chuàng)建線程的方法似乎比這樣的設(shè)計(jì)更有用，因?yàn)镃創(chuàng)建線程的時(shí)候會(huì)傳入一個(gè)void*指針，通過這種方法就可以傳入數(shù)據(jù)。然而，由于 Boost線程庫是使用函數(shù)對象來代替函數(shù)指針，那么函數(shù)對象本身就可以攜帶線程所需的數(shù)據(jù)。這種方法更具靈活性，也是類型安全（type-safe) 的。當(dāng)和Boost.Bind這樣的功能庫一起使用時(shí)，這樣的方法就可以讓你傳遞任意數(shù)量的數(shù)據(jù)給新建的線程。

目前，由Boost線程庫創(chuàng)建的線程對象功能還不是很強(qiáng)大。事實(shí)上它只能做兩項(xiàng)操作。線程對象可以方便使用==和!=進(jìn)行比較來確定它們是否是代表同一個(gè)線程；你還可以調(diào)用boost::thread::join來等待線程執(zhí)行完畢。其他一些線程庫可以讓你對線程做一些其他操作（比如設(shè)置優(yōu)先級，甚至是取消線程）。然而，由于要在普遍適用（portable）的接口中加入這些操作不是簡單的事，目前仍在討論如何將這些操組加入到Boost線程庫中。

Listing1展示了boost::thread類的一個(gè)最簡單的用法。 新建的線程只是簡單的在std::out上打印“hello,world”，main函數(shù)在它執(zhí)行完畢之后結(jié)束。

例1：
#include <boost/thread/thread.hpp>#include <iostream>void hello(){         std::cout <<         "Hello world, I'm a thread!"         << std::endl;}int main(int argc, char* argv[]){         boost::thread thrd(&hello);         thrd.join();        return 0;}
2 互斥體 任何寫過多線程程序的人都知道避免不同線程同時(shí)訪問共享區(qū)域的重要性。如果一個(gè)線程要改變共享區(qū)域中某個(gè)數(shù)據(jù)，而與此同時(shí)另一線程正在讀這個(gè)數(shù)據(jù)，那么結(jié)果將是未定義的。為了避免這種情況的發(fā)生就要使用一些特殊的原始類型和操作。其中最基本的就是互斥體（mutex，mutual exclusion的縮寫）。一個(gè)互斥體一次只允許一個(gè)線程訪問共享區(qū)。當(dāng)一個(gè)線程想要訪問共享區(qū)時(shí)，首先要做的就是鎖�。╨ock）互斥體。如果其他的線程已經(jīng)鎖住了互斥體，那么就必須先等那個(gè)線程將互斥體解鎖，這樣就保證了同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能訪問共享區(qū)域。

互斥體的概念有不少變種。Boost線程庫支持兩大類互斥體，包括簡單互斥體（simple mutex)和遞歸互斥體（recursive mutex)。如果同一個(gè)線程對互斥體上了兩次鎖，就會(huì)發(fā)生死鎖（deadlock），也就是說所有的等待解鎖的線程將一直等下去。有了遞歸互斥體，單個(gè)線程就可以對互斥體多次上鎖，當(dāng)然也必須解鎖同樣次數(shù)來保證其他線程可以對這個(gè)互斥體上鎖。

在這兩大類互斥體中，對于線程如何上鎖還有多個(gè)變種。一個(gè)線程可以有三種方法來對一個(gè)互斥體加鎖：
似乎最佳的互斥體類型是遞歸互斥體，它可以使用所有三種上鎖形式。然而每一個(gè)變種都是有代價(jià)的。所以Boost線程庫允許你根據(jù)不同的需要使用最有效率的互斥體類型。Boost線程庫提供了6中互斥體類型，下面是按照效率進(jìn)行排序：

boost::mutex,boost::try_mutex, boost::timed_mutex, boost::recursive_mutex, boost::recursive_try_mutex,   boost::recursive_timed_mutex
如果互斥體上鎖之后沒有解鎖就會(huì)發(fā)生死鎖。這是一個(gè)很普遍的錯(cuò)誤，Boost線程庫就是要將其變成不可能（至少時(shí)很困難）。直接對互斥體上鎖和解鎖對于 Boost線程庫的用戶來說是不可能的。mutex類通過teypdef定義在RAII中實(shí)現(xiàn)的類型來實(shí)現(xiàn)互斥體的上鎖和解鎖。這也就是大家知道的 Scope Lock模式。為了構(gòu)造這些類型，要傳入一個(gè)互斥體的引用。構(gòu)造函數(shù)對互斥體加鎖，析構(gòu)函數(shù)對互斥體解鎖。C++保證了析構(gòu)函數(shù)一定會(huì)被調(diào)用，所以即使是有異常拋出，互斥體也總是會(huì)被正確的解鎖。
這種方法保證正確的使用互斥體。然而，有一點(diǎn)必須注意：盡管Scope Lock模式可以保證互斥體被解鎖，但是它并沒有保證在異常拋出之后貢獻(xiàn)資源仍是可用的。所以就像執(zhí)行單線程程序一樣，必須保證異常不會(huì)導(dǎo)致程序狀態(tài)異常。另外，這個(gè)已經(jīng)上鎖的對象不能傳遞給另一個(gè)線程，因?yàn)樗鼈兙S護(hù)的狀態(tài)并沒有禁止這樣做。

List2給出了一個(gè)使用boost::mutex的最簡單的例子。例子中共創(chuàng)建了兩個(gè)新的線程，每個(gè)線程都有10次循環(huán)，在std::cout上打印出線程id和當(dāng)前循環(huán)的次數(shù)，而main函數(shù)等待這兩個(gè)線程執(zhí)行完才結(jié)束。std::cout就是共享資源，所以每一個(gè)線程都使用一個(gè)全局互斥體來保證同時(shí)只有一個(gè)線程能向它寫入。

許多讀者可能已經(jīng)注意到List2中傳遞數(shù)據(jù)給線程還必須的手工寫一個(gè)函數(shù)。盡管這個(gè)例子很簡單，如果每一次都要寫這樣的代碼實(shí)在是讓人厭煩的事。別急，有一種簡單的解決辦法。函數(shù)庫允許你通過將另一個(gè)函數(shù)綁定，并傳入調(diào)用時(shí)需要的數(shù)據(jù)來創(chuàng)建一個(gè)新的函數(shù)。 List3向你展示了如何使用Boost.Bind庫來簡化List2中的代碼，這樣就不必手工寫這些函數(shù)對象了。
例2：
#include <boost/thread/thread.hpp>#include <boost/thread/mutex.hpp>#include <iostream>boost::mutex io_mutex;struct count{         count(int id) : id(id) { }                 void operator()()         {                for (int i = 0; i < 10; ++i)                 {                         boost::mutex::scoped_lock                         lock(io_mutex);                         std::cout << id << ": "                         << i << std::endl;                 }         }                 int id;};int main(int argc, char* argv[]){         boost::thread thrd1(count(1));         boost::thread thrd2(count(2));         thrd1.join();         thrd2.join();        return 0;}
例3： // 這個(gè)例子和例2一樣，除了使用Boost.Bind來簡化創(chuàng)建線程攜帶數(shù)據(jù)，避免使用函數(shù)對象
#include <boost/thread/thread.hpp>#include <boost/thread/mutex.hpp>#include <boost/bind.hpp>#include <iostream>boost::mutex io_mutex;void count(int id){        for (int i = 0; i < 10; ++i)         {                 boost::mutex::scoped_lock                 lock(io_mutex);                 std::cout << id << ": " <<                 i << std::endl;         }}int main(int argc, char* argv[]){         boost::thread thrd1(         boost::bind(&count, 1));         boost::thread thrd2(         boost::bind(&count, 2));         thrd1.join();         thrd2.join();        return 0;}
3 條件變量 有的時(shí)候僅僅依靠鎖住共享資源來使用它是不夠的。有時(shí)候共享資源只有某些狀態(tài)的時(shí)候才能夠使用。比方說，某個(gè)線程如果要從堆棧中讀取數(shù)據(jù)，那么如果棧中沒有數(shù)據(jù)就必須等待數(shù)據(jù)被壓棧。這種情況下的同步使用互斥體是不夠的。另一種同步的方式－－條件變量，就可以使用在這種情況下。

條件變量的使用總是和互斥體及共享資源聯(lián)系在一起的。線程首先鎖住互斥體，然后檢驗(yàn)共享資源的狀態(tài)是否處于可使用的狀態(tài)。如果不是，那么線程就要等待條件變量。要指向這樣的操作就必須在等待的時(shí)候?qū)⒒コ怏w解鎖，以便其他線程可以訪問共享資源并改變其狀態(tài)。它還得保證從等到得線程返回時(shí)互斥體是被上鎖得。當(dāng)另一個(gè)線程改變了共享資源的狀態(tài)時(shí)，它就要通知正在等待條件變量得線程，并將之返回等待的線程。

List4是一個(gè)使用了boost::condition的簡單例子。有一個(gè)實(shí)現(xiàn)了有界緩存區(qū)的類和一個(gè)固定大小的先進(jìn)先出的容器。由于使用了互斥體 boost::mutex，這個(gè)緩存區(qū)是線程安全的。put和get使用條件變量來保證線程等待完成操作所必須的狀態(tài)。有兩個(gè)線程被創(chuàng)建，一個(gè)在 buffer中放入100個(gè)整數(shù)，另一個(gè)將它們從buffer中取出。這個(gè)有界的緩存一次只能存放10個(gè)整數(shù)，所以這兩個(gè)線程必須周期性的等待另一個(gè)線程。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，put和get在std::cout中輸出診斷語句。最后，當(dāng)兩個(gè)線程結(jié)束后，main函數(shù)也就執(zhí)行完畢了。

#include <boost/thread/thread.hpp>#include <boost/thread/mutex.hpp>#include <boost/thread/condition.hpp>#include <iostream>const int BUF_SIZE = 10;const int ITERS = 100;boost::mutex io_mutex;class buffer{        public:        typedef boost::mutex::scoped_lock         scoped_lock;                  buffer()         : p(0), c(0), full(0)         {         }                 void put(int m)         {                 scoped_lock lock(mutex);                if (full == BUF_SIZE)                 {                         {                                 boost::mutex::scoped_lock                                 lock(io_mutex);                                 std::cout <<                                 "Buffer is full. Waiting..."                                 << std::endl;                         }                        while (full == BUF_SIZE)                         cond.wait(lock);                 }                 buf[p] = m;                 p = (p+1) % BUF_SIZE;                 ++full;                 cond.notify_one();         }                 int get()         {                 scoped_lock lk(mutex);                if (full == 0)                 {                         {                                 boost::mutex::scoped_lock                                 lock(io_mutex);                                 std::cout <<                                 "Buffer is empty. Waiting..."                                 << std::endl;                         }                        while (full == 0)                         cond.wait(lk);                 }                int i = buf[c];                 c = (c+1) % BUF_SIZE;                 --full;                 cond.notify_one();                return i;         }                 private:         boost::mutex mutex;         boost::condition cond;        unsigned int p, c, full;        int buf[BUF_SIZE];};buffer buf;void writer(){        for (int n = 0; n < ITERS; ++n)         {                 {                         boost::mutex::scoped_lock                         lock(io_mutex);                         std::cout << "sending: "                         << n << std::endl;                 }                 buf.put(n);         }}void reader(){        for (int x = 0; x < ITERS; ++x)         {                int n = buf.get();                 {                         boost::mutex::scoped_lock                         lock(io_mutex);                         std::cout << "received: "                         << n << std::endl;                 }         }}int main(int argc, char* argv[]){         boost::thread thrd1(&reader);         boost::thread thrd2(&writer);         thrd1.join();         thrd2.join();        return 0;}

4 線程局部存儲(chǔ) 大多數(shù)函數(shù)都不是可重入的。這也就是說在某一個(gè)線程已經(jīng)調(diào)用了一個(gè)函數(shù)時(shí)，如果你再調(diào)用同一個(gè)函數(shù)，那么這樣是不安全的。一個(gè)不可重入的函數(shù)通過連續(xù)的調(diào)用來保存靜態(tài)變量或者是返回一個(gè)指向靜態(tài)數(shù)據(jù)的指針。舉例來說，std::strtok就是不可重入的，因?yàn)樗褂渺o態(tài)變量來保存要被分割成符號(hào)的字符串。

有兩種方法可以讓不可重用的函數(shù)變成可重用的函數(shù)。第一種方法就是改變接口，用指針或引用代替原先使用靜態(tài)數(shù)據(jù)的地方。比方說，POSIX定義了 strok_r，std::strtok中的一個(gè)可重入的變量，它用一個(gè)額外的char**參數(shù)來代替靜態(tài)數(shù)據(jù)。這種方法很簡單，而且提供了可能的最佳效果。但是這樣必須改變公共接口，也就意味著必須改代碼。另一種方法不用改變公有接口，而是用本地存儲(chǔ)線程（thread local storage）來代替靜態(tài)數(shù)據(jù)（有時(shí)也被成為特殊線程存儲(chǔ)，thread-specific storage）。

Boost線程庫提供了智能指針boost::thread_specific_ptr來訪問本地存儲(chǔ)線程。每一個(gè)線程第一次使用這個(gè)智能指針的實(shí)例時(shí)，它的初值是NULL，所以必須要先檢查這個(gè)它的只是否為空，并且為它賦值。Boost線程庫保證本地存儲(chǔ)線程中保存的數(shù)據(jù)會(huì)在線程結(jié)束后被清除。

List5是一個(gè)使用boost::thread_specific_ptr的簡單例子。其中創(chuàng)建了兩個(gè)線程來初始化本地存儲(chǔ)線程，并有10次循環(huán)，每一次都會(huì)增加智能指針指向的值，并將其輸出到std::cout上（由于std::cout是一個(gè)共享資源，所以通過互斥體進(jìn)行同步）。main線程等待這兩個(gè)線程結(jié)束后就退出。從這個(gè)例子輸出可以明白的看出每個(gè)線程都處理屬于自己的數(shù)據(jù)實(shí)例，盡管它們都是使用同一個(gè)boost:: thread_specific_ptr。

例5：
#include <boost/thread/thread.hpp>#include <boost/thread/mutex.hpp>#include <boost/thread/tss.hpp>#include <iostream>boost::mutex io_mutex;boost::thread_specific_ptr<int> ptr;struct count{         count(int id) : id(id) { }                 void operator()()         {                if (ptr.get() == 0)                 ptr.reset(new int(0));                                 for (int i = 0; i < 10; ++i)                 {                         (*ptr)++;                         boost::mutex::scoped_lock                         lock(io_mutex);                         std::cout << id << ": "                         << *ptr << std::endl;                 }         }                 int id;};int main(int argc, char* argv[]){         boost::thread thrd1(count(1));         boost::thread thrd2(count(2));         thrd1.join();         thrd2.join();        return 0;}
5 僅運(yùn)行一次的例程 還有一個(gè)問題沒有解決：如何使得初始化工作（比如說構(gòu)造函數(shù)）也是線程安全的。比方說，如果一個(gè)引用程序要產(chǎn)生唯一的全局的對象，由于實(shí)例化順序的問題，某個(gè)函數(shù)會(huì)被調(diào)用來返回一個(gè)靜態(tài)的對象，它必須保證第一次被調(diào)用時(shí)就產(chǎn)生這個(gè)靜態(tài)的對象。這里的問題就是如果多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用了這個(gè)函數(shù)，那么這個(gè)靜態(tài)對象的構(gòu)造函數(shù)就會(huì)被調(diào)用多次，這樣錯(cuò)誤產(chǎn)生了。

解決這個(gè)問題的方法就是所謂的“一次實(shí)現(xiàn)”（once routine）。“一次實(shí)現(xiàn)”在一個(gè)應(yīng)用程序只能執(zhí)行一次。如果多個(gè)線程想同時(shí)執(zhí)行這個(gè)操作，那么真正執(zhí)行的只有一個(gè)，而其他線程必須等這個(gè)操作結(jié)束。為了保證它只被執(zhí)行一次，這個(gè)routine由另一個(gè)函數(shù)間接的調(diào)用，而這個(gè)函數(shù)傳給它一個(gè)指針以及一個(gè)標(biāo)志著這個(gè)routine是否已經(jīng)被調(diào)用的特殊標(biāo)志。這個(gè)標(biāo)志是以靜態(tài)的方式初始化的，這也就保證了它在編譯期間就被初始化而不是運(yùn)行時(shí)。因此也就沒有多個(gè)線程同時(shí)將它初始化的問題了。Boost線程庫提供了boost::call_once來支持“一次實(shí)現(xiàn)”，并且定義了一個(gè)標(biāo)志boost::once_flag及一個(gè)初始化這個(gè)標(biāo)志的宏 BOOST_ONCE_INIT。

List6是一個(gè)使用了boost::call_once的例子。其中定義了一個(gè)靜態(tài)的全局整數(shù)，初始值為0；還有一個(gè)由BOOST_ONCE_INIT 初始化的靜態(tài)boost::once_flag實(shí)例。main函數(shù)創(chuàng)建了兩個(gè)線程，它們都想通過傳入一個(gè)函數(shù)調(diào)用boost::call_once來初始化這個(gè)全局的整數(shù)，這個(gè)函數(shù)是將它加1。main函數(shù)等待著兩個(gè)線程結(jié)束，并將最后的結(jié)果輸出的到std::cout。由最后的結(jié)果可以看出這個(gè)操作確實(shí)只被執(zhí)行了一次，因?yàn)樗闹凳?。

#include <boost/thread/thread.hpp>#include <boost/thread/once.hpp>#include <iostream>int i = 0;boost::once_flag flag =BOOST_ONCE_INIT;void init(){         ++i;}void thread(){         boost::call_once(&init, flag);}int main(int argc, char* argv[]){         boost::thread thrd1(&thread);         boost::thread thrd2(&thread);         thrd1.join();         thrd2.join();         std::cout << i << std::endl;        return 0;}
6 Boost線程庫的未來 Boost線程庫正在計(jì)劃加入一些新特性。其中包括boost::read_write_mutex，它可以讓多個(gè)線程同時(shí)從共享區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，但是一次只可能有一個(gè)線程向共享區(qū)寫入數(shù)據(jù)；boost::thread_barrier，它使得一組線程處于等待狀態(tài)，知道所有得線程都都進(jìn)入了屏障區(qū)； boost::thread_pool,他允許執(zhí)行一些小的routine而不必每一都要?jiǎng)?chuàng)建或是銷毀一個(gè)線程。

Boost線程庫已經(jīng)作為標(biāo)準(zhǔn)中的類庫技術(shù)報(bào)告中的附件提交給C++標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，它的出現(xiàn)也為下一版C++標(biāo)準(zhǔn)吹響了第一聲號(hào)角。委員會(huì)成員對Boost 線程庫的初稿給予了很高的評價(jià),當(dāng)然他們還會(huì)考慮其他的多線程庫。他們對在C++標(biāo)準(zhǔn)中加入對多線程的支持非常感興趣。從這一點(diǎn)上也可以看出，多線程在C ++中的前途一片光明。





歡迎光臨 (http://www.torrancerestoration.com/bbs/) Powered by Discuz! X3.1