平台無關性多線程庫－C++ Boost Thread 編程指南)

新一篇: 平台無關性程式的構造

0 前言

標準C++線程即將到來。CUJ預言它將衍生自Boost線程庫，現在就由Bill帶領我們探索一下Boost線程庫。

 

就在幾年前，用多線程執行程式還是一件非比尋常的事。然而今天互連網應用服務程式普遍使用多線程來提高與多客戶連結時的效率；為了達到最大的吞吐
量，事務伺服器在單獨的線程上運行服務程式；GUI應用程式將那些費時，複雜的處理以線程的形式單獨運行，以此來保證使用者介面能夠及時響應使用者的操作。這
樣使用多線程的例子還有很多。

 

但是C++標準並沒有涉及到多線程，這讓程式員們開始懷疑是否可能寫出多線程的C++程式。儘管不可能寫出符合標準的多線程程式，但是程式員們還是
會使用支援多線程的作業系統提供的多線程庫來寫出多線程C++程式。但是這樣做至少有兩個問題：這些庫大部分都是用C語言完成的，如果在C++程式中要使
用這些庫就必須十分小心；還有，每一個作業系統都有自己的一套支援多線程的類庫。因此，這樣寫出來得代碼是沒有標準可循的，也不是到處都適用的（non-
portable)。Boost線程庫就是為瞭解決所有這些問題而設計的。

Boost是由C++標準委員會類庫工作群組成員發起，致力於為C++開發新的類庫的組織。現在它已經有近2000名成員。許多庫都可以在Boost源碼的發布版本中找到。為了使這些類庫是安全執行緒的（thread-safe)，Boost線程庫被建立了。

許多C++專家都投身於Boost線程庫的開發中。所有介面的設計都是從0開始的，並不是C線程API的簡單封裝。許多C++特性（比如建構函式和
解構函式，函數對象（function
object)和模板）都被使用在其中以使介面更加靈活。現在的版本可以在POSIX,Win32和Macintosh Carbon平台下工作。

1 建立線程

就像std::fstream類就代表一個檔案一樣，boost::thread類就代表一個可執行檔線程。預設建構函式建立一個代表當前執行線程的實
例。一個重載的建構函式以一個不需任何參數的函數對象作為參數，並且沒有傳回值。這個建構函式建立一個新的可執行線程，它調用了那個函數對象。

 

起先，大家認為傳統C建立線程的方法似乎比這樣的設計更有用，因為C建立線程的時候會傳入一個void*指標，通過這種方法就可以傳入資料。然而，
由於Boost線程庫是使用函數對象來代替函數指標，那麼函數對象本身就可以攜帶線程所需的資料。這種方法更具靈活性，也是型別安全（type-
safe)的。當和Boost.Bind這樣的功能庫一起使用時，這樣的方法就可以讓你傳遞任意數量的資料給建立的線程。

 

目前，由Boost線程庫建立的線程對象功能還不是很強大。事實上它只能做兩項操作。線程對象可以方便使用==和!=進行比較來確定它們是否是代表
同一個線程；你還可以調用boost::thread::join來等待線程執行完畢。其他一些線程庫可以讓你對線程做一些其他動作（比如設定優先權，甚
至是取消線程）。然而，由於要在普遍適用（portable）的介面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類的一個最簡單的用法。 建立的線程只是簡單的在std::out上列印“hello,world”，main函數在它執行完畢之後結束。

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 
任何寫過多線程程式的人都知道避免不同線程同時訪問共用地區的重要性。如果一個
線程要改變共用地區中某個資料，而與此同時另一線程正在讀這個資料，那麼結果將是未定義的。為了避免這種情況的發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）。一個互斥體一次只允許一個線程訪問共用區。當一個線程想要訪問共用區時，首先要做的就是鎖住（lock）互斥體。如果其他的
線程已經鎖住了互斥體，那麼就必須先等那個線程將互斥體解鎖，這樣就保證了同一時刻只有一個線程能訪問共用地區。
 
互斥體的概念有不少變種。Boost線程庫支援兩大類互斥體，包括簡單互斥體（simple mutex)和遞迴互斥體（recursive
mutex)。如果同一個線程對互斥體上了兩次鎖，就會發生死結（deadlock），也就是說所有的等待解鎖的線程將一直等下去。有了遞迴互斥體，單個
線程就可以對互斥體多次上鎖，當然也必須解鎖同樣次數來保證其他線程可以對這個互斥體上鎖。 
 
在這兩大類互斥體中，對於線程如何上鎖還有多個變種。一個線程可以有三種方法來對一個互斥體加鎖： 
 

  
一直等到沒有其他線程對互斥體加鎖。 
  
如果有其他互斥體已經對互斥體加鎖就立即返回。 
  
一直等到沒有其他線程互斥體加鎖，直到逾時。 
 
似乎最佳的互斥體類型是遞迴互斥體，它可以使用所有三種上鎖形式。然而每一個變種都是有代價的。所以Boost線程庫允許你根據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 
如果互斥體上鎖之後沒有解鎖就會發生死結。這是一個很普遍的錯誤，Boost線程庫就是要將其變成不可能（至少時很困難）。直接對互斥體上鎖和解鎖對於
Boost線程庫的使用者來說是不可能的。mutex類通過teypdef定義在RAII中實現的類型來實現互斥體的上鎖和解鎖。這也就是大家知道的
Scope
Lock模式。為了構造這些類型，要傳入一個互斥體的引用。建構函式對互斥體加鎖，解構函式對互斥體解鎖。C++保證了解構函式一定會被調用，所以即使是
有異常拋出，互斥體也總是會被正確的解鎖。
這種方法保證正確的使用互斥體。然而，有一點必須注意：儘管Scope
Lock模式可以保證互斥體被解鎖，但是它並沒有保證在異常拋出之後貢獻資源仍是可用的。所以就像執行單線程程式一樣，必須保證異常不會導致程式狀態異
常。另外，這個已經上鎖的對象不能傳遞給另一個線程，因為它們維護的狀態並沒有禁止這樣做。 
 
List2給出了一個使用boost::mutex的最簡單的例子。例子中共建立了兩個新的線程，每個線程都有10次迴圈，在std::cout上
列印出線程id和當前迴圈的次數，而main函數等待這兩個線程執行完才結束。std::cout就是共用資源，所以每一個線程都使用一個全域互斥體來保
證同時只有一個線程能向它寫入。 
 
許多讀者可能已經注意到List2中傳遞資料給線程還必須的手工寫一個函數。儘管這個例子很簡單，如果每一次都要寫這樣的代碼實在是讓人厭煩的事。
別急，有一種簡單的解決辦法。函數庫允許你通過將另一個函數綁定，並傳入調用時需要的資料來建立一個新的函數。
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： // 這個例子和例2一樣，除了使用Boost.Bind來簡化建立線程攜帶資料，避免使用函數對象 
#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 條件變數 
有的時候僅僅依靠鎖住共用資源來使用它是不夠的。有時候共用資源只有某些狀態的時候才能夠使用。比方說，某個線程如果要從堆棧中讀取資料，那麼如果棧中沒
有資料就必須等待資料被壓棧。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－－條件變數，就可以使用在這種情況下。
 
條件變數的使用總是和互斥體及共用資源聯絡在一起的。線程首先鎖住互斥體，然後檢驗共用資源的狀態是否處於可使用的狀態。如果不是，那麼線程就要等
待條件變數。要指向這樣的操作就必須在等待的時候將互斥體解鎖，以便其他線程可以訪問共用資源並改變其狀態。它還得保證從等到得線程返回時互斥體是被上鎖
得。當另一個線程改變了共用資源的狀態時，它就要通知正在等待條件變數得線程，並將之返回等待的線程。 
 
List4是一個使用了boost::condition的簡單例子。有一個實現了有界緩衝區的類和一個固定大小的先進先出的容器。由於使用了互斥
體boost::mutex，這個緩衝區是安全執行緒的。put和get使用條件變數來保證線程等待完成操作所必須的狀態。有兩個線程被建立，一個在
buffer中放入100個整數，另一個將它們從buffer中取出。這個有界的緩衝一次只能存放10個整數，所以這兩個線程必須周期性的等待另一個線
程。為了驗證這一點，put和get在std::cout中輸出診斷語句。最後，當兩個線程結束後，main函數也就執行完畢了。 
 
#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 線程局部儲存 
大多數函數都不是可重新進入的。這也就是說在某一個線程已經調用了一個函數時，如果你再調用同一個函數，那麼這樣是不安全的。一個不可重新進入的函數通過連續的調
用來儲存靜態變數或者是返回一個指向待用資料的指標。
舉例來說，std::strtok就是不可重新進入的，因為它使用靜態變數來儲存要被分割成符號的字串。
 
有兩種方法可以讓不可重用的函數變成可重用的函數。第一種方法就是改變介面，用指標或引用代替原先使用待用資料的地方。比方說，POSIX定義了
strok_r，std::strtok中的一個可重新進入的變數，它用一個額外的char**參數來代替待用資料。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用介面，也就意味著必須改代碼。另一種方法不用改變公有介面，而是用本機存放區線程（thread local
storage）來代替待用資料（有時也被成為特殊線程儲存，thread-specific storage）。 
 
Boost線程庫提供了智能指標boost::thread_specific_ptr來訪問本機存放區線程。每一個線程第一次使用這個智能指標的實
例時，它的初值是NULL，所以必須要先檢查這個它的只是否為空白，並且為它賦值。Boost線程庫保證本機存放區線程中儲存的資料會線上程結束後被清除。
 
List5是一個使用boost::thread_specific_ptr的簡單例子。其中建立了兩個線程來初始化本機存放區線程，並有10次循
環，每一次都會增加智能指標指向的值，並將其輸出到std::cout上（由於std::cout是一個共用資源，所以通過互斥體進行同步）。main線
程等待這兩個線程結束後就退出。從這個例子輸出可以明白的看出每個線程都處理屬於自己的資料執行個體，儘管它們都是使用同一個
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 僅運行一次的常式 
還有一個問題沒有解決：如何使得初始化工作（比如說建構函式）也是安全執行緒的。比方說，如果一個引用程式要產生唯一的全域的對象，由於執行個體化順序的問題，
某個函數會被調用來返回一個靜態對象，它必須保證第一次被調用時就產生這個靜態對象。這裡的問題就是如果多個線程同時調用了這個函數，那麼這個靜態對
象的建構函式就會被調用多次，這樣錯誤產生了。
 
解決這個問題的方法就是所謂的“一次實現”（once
routine）。“一次實現”在一個應用程式只能執行一次。如果多個線程想同時執行這個操作，那麼真正執行的只有一個，而其他線程必須等這個操作結束。
為了保證它只被執行一次，這個routine由另一個函數間接的調用，而這個函數傳給它一個指標以及一個標誌著這個routine是否已經被調用的特殊標
志。這個標誌是以靜態方式初始化的，這也就保證了它在編譯期間就被初始化而不是運行時。因此也就沒有多個線程同時將它初始化的問題了。Boost線程庫
提供了boost::call_once來支援“一次實現”，並且定義了一個標誌boost::once_flag及一個初始化這個標誌的宏
BOOST_ONCE_INIT。 
 
List6是一個使用了boost::call_once的例子。其中定義了一個靜態全域整數，初始值為0；還有一個由
BOOST_ONCE_INIT初始化的靜態boost::once_flag執行個體。main函數建立了兩個線程，它們都想通過傳入一個函數調用
boost::call_once來初始化這個全域的整數，這個函數是將它加1。main函數等待著兩個線程結束，並將最後的結果輸出的到
std::cout。由最後的結果可以看出這個操作確實只被執行了一次，因為它的值是1。 
 
#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線程庫正在計劃加入一些新特性。其中包括boost::read_write_mutex，它可以讓多個線程同時從共用區中讀取資料，但是一次
只可能有一個線程向共用區寫入資料；boost::thread_barrier，它使得一組線程處於等待狀態，知道所有得線程都都進入了屏障
區；boost::thread_pool,他允許執行一些小的routine而不必每一都要建立或是銷毀一個線程。
 
Boost線程庫已經作為標準中的類庫技術報告中的附件提交給C++標準委員會，它的出現也為下一版C++標準吹響了第一聲號角。委員會成員對
Boost線程庫的初稿給予了很高的評價,當然他們還會考慮其他的多線程庫。他們對在C++標準中加入對多線程的支援非常感興趣。從這一點上也可以看出，
多線程在C++中的前途一片光明。