C++ pthread實現多線程編程

C++ pthread庫是Linux系統下的線程庫，可以實現多線程編程。使用C++ pthread庫，可以方便地創建和管理多個線程，從而更好地利用CPU資源，提高計算機的運行效率。

一、多線程編程簡介

在計算機科學中，線程是操作系統能夠進行運算調度的最小單位。線程集合成為進程。一個進程中至少有一個線程,如果只有一個線程,這個線程稱為主線程。在一個進程內可以創建多個線程，這些線程可以同時運行，從而實現多任務處理。

多線程編程的優點：可以充分利用CPU資源，從而提高計算機的運行效率；可以提高程序的響應速度，降低用戶等待的時間；可以實現程序的異步操作，從而提高程序的可維護性。

二、C++ pthread庫概述

C++ pthread（POSIX threads）是Linux/Unix 操作系統下的線程庫，它為程序員提供了創建和管理多個線程的方法和功能。它屬於POSIX標準的一部分，可以在多種操作系統上使用。

使用pthread庫時，需要在程序中包含頭文件「pthread.h」，並且使用選項「-pthread」進行編譯。

三、C++ pthread庫實現多線程編程

在C++ pthread庫中，創建一個線程需要使用函數pthread_create，其函數簽名如下：

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                   void *(*start_routine) (void *), void *arg);

參數說明：

• thread：指向新創建的線程的標識符的指針。
• attr：指向線程屬性的指針（通常設置為NULL）。
• start_routine：一個指向函數的指針，該函數作為新線程的起始例程。
• arg：一個指向傳遞給起始例程的參數的指針。

下面是一個使用pthread_create創建線程的示例代碼：

#include 

void* myThreadFun(void* arg)
{
    // 線程執行的代碼
}

int main()
{
    pthread_t threadId;
    // 創建線程
    pthread_create(&threadId, NULL, myThreadFun, NULL);
    // 等待線程執行完畢
    pthread_join(threadId, NULL);
    return 0;
}

在上面的代碼中，使用pthread_create函數創建了一個新線程。該函數需要傳入線程id、線程屬性、線程執行函數、線程執行函數的參數四個參數。

該程序還使用pthread_join函數等待子線程執行完畢。該函數的作用是等待指定的線程結束後再繼續執行主線程。

四、C++ pthread庫實現線程同步

C++ pthread庫提供了多種方法來實現線程同步。下面介紹兩種常用的方法：互斥鎖和條件變量。

互斥鎖

互斥鎖（Mutex）是一種簡單的同步機制，用於保護共享資源。互斥鎖通過設置一個鎖，來確保同一時間只有一個線程訪問共享資源。如果一個線程想要訪問共享資源，它必須先獲得互斥鎖。

在C++ pthread庫中創建互斥鎖需要用到函數pthread_mutex_init，其函數簽名如下：

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, pthread_mutexattr_t *attr)

參數說明：

• mutex：互斥鎖指針。
• attr：互斥鎖屬性指針（一般設置為NULL）。

創建一個互斥鎖後，可以使用pthread_mutex_lock函數獲得鎖。該函數會阻塞調用者，直到獲得鎖為止。線程執行完需要使用pthread_mutex_unlock函數釋放鎖。

下面是一個使用互斥鎖實現線程同步的示例代碼：

pthread_mutex_t mutex;

void* myThreadFun(void* arg)
{
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    // 訪問共享資源
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    // 線程執行的代碼
}

int main()
{
    pthread_t threadId1, threadId2;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    // 創建線程1
    pthread_create(&threadId1, NULL, myThreadFun, NULL);
    // 創建線程2
    pthread_create(&threadId2, NULL, myThreadFun, NULL);
    // 等待線程執行完畢
    pthread_join(threadId1, NULL);
    pthread_join(threadId2, NULL);
    // 釋放互斥鎖
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

條件變量

條件變量（Condition Variable）是一種同步機制，用於在不進行無效處理的情況下等待事件發生。它允許線程在等待某個事件發生的同時，釋放鎖並讓其他線程訪問共享資源。

在C++ pthread庫中使用條件變量需要用到函數pthread_cond_init，其函數簽名如下：

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *attr);

參數說明：

• cond：條件變量指針。
• attr：條件變量屬性指針（一般設置為NULL）。

創建條件變量後，可以使用pthread_cond_wait函數等待條件變量的成立。該函數需要傳入條件變量和一個互斥鎖，它使線程阻塞直到條件變量滿足條件，同時釋放互斥鎖。

下面是一個使用條件變量實現線程同步的示例代碼：

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;

void* myThreadFun(void* arg)
{
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    // 等待條件變量滿足
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    // 條件成立後訪問共享資源
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    // 線程執行的代碼
}

int main()
{
    pthread_t threadId1, threadId2;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);
    // 創建線程1
    pthread_create(&threadId1, NULL, myThreadFun, NULL);
    // 創建線程2
    pthread_create(&threadId2, NULL, myThreadFun, NULL);
    // 調用條件變量
    pthread_cond_signal(&cond);
    // 等待線程執行完畢
    pthread_join(threadId1, NULL);
    pthread_join(threadId2, NULL);
    // 釋放互斥鎖和條件變量
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    return 0;
}

總結

C++ pthread庫提供了豐富的函數和方法，使得多線程編程變得容易和簡單。在多線程編程中，需要注意線程之間的同步問題，使用互斥鎖和條件變量可以有效地解決線程同步問題。