12.1. Создание потока

12.1. Создание потока

Проблема

Требуется создать поток (thread) для выполнения некоторой задачи, в то время как главный поток продолжает свою работу.

Решение

Создайте объект класса thread и передайте ему функтор, который выполняет данную работу. Создание объекта потока приведет к инстанцированию потока операционной системы, который начинает выполнять оператор operator() с вашим функтором (или начинает выполнять функцию, переданную с помощью указателя). Пример 12.1 показывает, как это делается.

Пример 12.1. Создание потока

#include <iostream>

#include <boost/thread/thread.hpp>

#include <boost/thread/xtime.hpp>

struct MyThreadFunc {

 void operator()() {

  // Что-нибудь работающее долго...

 }

} threadFun;

int main() {

 boost::thread myThread(threadFun); // Создать поток, запускающий

                                    // функцию threadFun

 boost.:thread::yield(); // Уступить порожденному потоку квант времени.

                         // чтобы он мог выполнить какую-то работу.

// Выполнить какую-нибудь другую работу

myThread join(); // Текущий поток (т.е поток функции main) прежде.

                 // чем завершиться, будет ждать окончания myThread

}

Обсуждение

Создается поток обманчиво просто. Вам необходимо лишь создать объект thread в стеке или в динамической памяти и передать ему функтор, который укажет, с чего начать работу. В данном случае термин «поток» (thread) используется в двух смыслах. Во-первых, это объект класса thread, который является обычным объектом C++. При ссылке на этот объект я буду говорить «объект потока». Кроме того, существует поток выполнения, который является потоком операционной системы, представленным объектом thread. Когда я говорю «поток» (в отличие от названия класса потока, напечатанного моноширинным шрифтом), я имею в виду поток операционной системы.

Теперь перейдем непосредственно к рассмотрению программного кода в примере. Конструктор thread принимает функтор (или указатель функции), имеющий два аргумента и возвращающий void. Рассмотрим следующую строку из примера 12.1.

boost::thread myThread(threadFun);

Она создает в стеке объект myThread, являющийся новым потоком операционной системы, который начинает выполнять функцию threadFun. В этот момент программный код функции threadFun и код функции main (по крайней мере, теоретически) выполняются параллельно. Конечно, на самом деле они могут выполняться не параллельно, поскольку ваша машина может иметь только один процессор, и в этом случае параллельная работа невозможна (благодаря недавно разработанным архитектурам процессоров это утверждение не совсем точное, но в настоящий момент я не буду принимать в расчет двухъядерные процессоры и т.п.). Если у вас только один процессор, то операционная система предоставит каждому созданному вами потоку квант времени в состоянии выполнения, перед тем как приостановить его работу. Так как эти кванты времени могут иметь различную величину, никогда нельзя с уверенностью сказать, какой из потоков раньше достигнет определенной точки. Именно в этой особенности многопоточного программирования заключается его сложность: состояние многопоточной программы недетерминировано. При выполнении несколько раз одной и той же многопоточной программы можно получить различные результаты. Темой рецепта 12.2 является координация ресурсов, используемых несколькими потоками.

После создания потока myThread поток main продолжает свою работу, по крайней мере на мгновение, пока не достигнет следующей строки.

boost::thread::yield();

Это переводит текущий поток (в данном случае поток main) в неактивное состояние, что означает переключение операционной системы на другой поток или процесс, используя некоторую политику, которая зависит от операционной системы. С помощью функции yield операционная система уведомляется о том, что текущий поток хочет уступить оставшуюся часть кванта времени. В это время новый поток выполняет threadFun. После завершения threadFun дочерний поток исчезает. Следует отметить, что объект thread не уничтожается, потому что он является объектом С++, который по-прежнему находится в области видимости. Эта особенность играет важную роль.

Объект потока — это некий объект, существующий в динамической памяти или в стеке и работающий подобно любому другому объекту С++. Когда программный код выходит из области видимости потока, все находящиеся в стеке объекты потока уничтожаются, или, с другой стороны, когда вызывающая программа выполняет оператор delete для thread*, исчезает соответствующий объект thread, который находится в динамической памяти. Но объекты thread выступают просто как прокси относительно реальных потоков операционной системы, и когда они уничтожаются, потоки операционной системы не обязательно исчезают. Они просто отсоединяются, что означает невозможность их подключения в будущем. Это не так уж плохо.

Потоки используют ресурсы, и в любом (хорошо спроектированном) многопоточном приложении управление доступом к таким ресурсам (к объектам, сокетам, файлам, «сырой» памяти и т.д.) осуществляется при помощи мьютексов, которые являются объектами, обеспечивающими последовательный доступ к каким-либо объектам со стороны нескольких потоков (см. рецепт 12.2). Если поток операционной системы оказывается «убитым», он не будет освобождать свои блокировки и свои ресурсы, подобно тому как «убитый» процесс не оставляет шансов на очистку буферов или правильное освобождение ресурсов операционной системы. Простое завершение потока в тот момент, когда вам кажется, что он должен быть завершен, — это все равно что убрать лестницу из-под маляра, когда время его работы закончилось.

Поэтому предусмотрена функция-член join. Как показано в примере 12.1, вы можете вызвать join, чтобы дождаться завершения работы дочернего потока, join — это вежливый способ уведомления потока, что вы собираетесь ждать завершения его работы.

myThread.join();

Поток, вызвавший функцию join, переходит в состояние ожидания, пока не закончит свою работу другой поток, представленный объектом myThread. Если он никогда не завершится, то никогда не завершится и join. Применение join — наилучший способ ожидания завершения работы дочернего потока.

Возможно, вы заметили, что, если передать что-либо осмысленное функции threadFun, но закомментировать join, поток не завершит свою работу. Вы можете убедиться в этом, выполняя в threadFun цикл или какую-нибудь продолжительную операцию. Это объясняется тем, что операционная система уничтожает процесс вместе со всеми его дочерними процессами независимо от того, закончили или нет они свою работу. Без вызова join функция main не будет ждать окончания работы своих дочерних потоков: она завершается, и поток операционной системы уничтожается.

Если требуется создать несколько потоков, рассмотрите возможность их группирования в объект thread_group. Объект thread_group может управлять объектами двумя способами. Во-первых, вы можете вызвать add_thread с указателем на объект thread, и этот объект будет добавлен в группу. Ниже приводится пример.

boost::thread_group grp;

boost::thread* p = new boost::thread(threadFun);

grp.add_thread(p);

// выполнить какие-нибудь действия...

grp.remove_thread(p);

При вызове деструктора grp он удалит оператором delete каждый указатель потока, который был добавлен в add_thread. По этой причине вы можете добавлять в thread_group только указатели объектов потоков, размещённых в динамической памяти. Удаляйте поток путем вызова remove_thread с передачей адреса объекта потока (remove_thread находит в группе соответствующий объект потока, сравнивая значения указателей, а не сами объекты). remove_thread удалит указатель, ссылающийся на этот поток группы, но вам придется все же удалить сам поток с помощью оператора delete.

Кроме того, вы можете добавить поток в группу, не создавая его непосредственно, а используя для этого вызов функции create_thread, которая (подобно объекту потока) принимает функтор в качестве аргумента и начинает его выполнение в новом потоке операционной системы. Например, для порождения двух потоков и добавления их в группу сделайте следующее.

boost::thread_group grp;

grp.create_thread(threadFun);

grp.create_thread(threadFun); // Теперь группа grp содержит два потока

grp.join_all(); // Подождать завершения всех потоков

При добавлении потоков в группу при помощи create_thread или add_thread вы можете вызвать join_all для ожидания завершения работы всех потоков группы. Вызов join_all равносилен вызову join для каждого потока группы: join_all возвращает управление после завершения работы всех потоков группы.

Создание объекта потока позволяет начать выполнение отдельного потока. Однако с помощью средств библиотеки Boost Threads это делается обманчиво легко, поэтому необходимо тщательно обдумывать проект. Прочтите остальные рецепты настоящей главы, где даются дополнительные предостережения относительно применения потоков.

Смотри также

Рецепт 12.2.